Influence of land use on abundance, function and spatial distribution of N-cycling microorganisms in grassland soils

This thesis focuses on the influence of land use on the abundance, function and spatial distribution of N-cycling microorganisms in grassland soils, but also on soil biogeochemical properties, as well as on enzyme activities involved in the carbon-, nitrogen-, and phosphorous cycle. The objective of this thesis was tackled in three studies. All study sites that were investigated as part of this thesis were preselected and assigned according to study region and land use within the framework of the Exploratories for Functional Biodiversity Research The Biodiversity Exploratories of the Deutsche Forschungsgemeinschaft priority program 1374. The first study addressed the question whether land-use intensity influences soil biogeochemical properties, as well as the abundance and spatial distributions of ammonia-oxidizing and denitrifying microorganisms in grasslands of the Schwäbische Alb. To this end, a geostatistical approach on replicated grassland sites (10 m × 10 m), belonging to either unfertilized pastures (n = 3) or fertilized mown meadows (n = 3), representing low and high land-use intensity, was applied. Results of this study revealed that land-use intensity changed spatial patterns of both soil biogeochemical properties and N-cycling microorganisms at the plot scale. For soil biogeochemical properties, spatial heterogeneity decreased with higher land-use intensity, but increased for ammonia oxidizers and nirS-type denitrifiers. This suggests that other factors, both biotic and abiotic than those measured, are driving the spatial distribution of these microorganisms at the plot scale. Furterhmore, the geostatistical analysis indicated spatial coexistence for ammonia oxidizers (amoA ammonia-oxidizing archaea and amoA ammonia-oxidizing bacteria) and nitrate reducers (napA and narG), but niche partitioning between nirK- and nirS-type denitrifiers. The second study aimed at whether land-use intensity contributes to spatial variation in microbial abundance and function in grassland ecosystems of the Schwäbische Alb assigned to either low (unfertilized pastures, n = 3), intermediate (fertilized mown pastures, n = 3), or high (fertilized mown meadows, n = 3) land-use intensity. Plot-scale (10 m × 10 m) spatial heterogeneity and autocorrelation of soil biogeochemical properties, microbial biomass and enzymes involved in C, N, and P cycle were investigated using a geostatistical approach. Geostatistics revealed spatial autocorrelations (p-Range) of chemical soil properties within the maximum sampling distance of the investigated plots, while greater variations of p-Ranges of soil microbiological properties indicated spatial heterogeneity at multiple scales. An expected decrease in small-scale spatial heterogeneity in high land-use intensity could not be confirmed for microbiological soil properties. Finding smaller spatial autocorrelations for most of the investigated properties indicated increased habitat heterogeneity at smaller scales under high land-use intensity. In the third study, the effects of warming and drought on the abundance of denitrifier marker genes, the potential denitrification activity and the N2O emission potential from grassland ecosystems located in the Schwäbische Alb, the Hainich, and the Schorfheide region were investigated. Land use was defined individually for each grassland site by a land-use index that integrated mowing, grazing and fertilization at the sites over the last three years before sampling of the soil. It was tested if the microbial community response to warming and drought depended on more static site properties (soil organic carbon, water holding capacity, pH) in interaction with land use, the study region and the climate change treatment. It was further tested to which extent the N2O emission potential was influenced by more dynamic properties, e.g. the actual water content, the availability of organic carbon and nitrate, or the size of the denitrifier community. Warming effects in enhanced the potential denitrification of denitrifying microorganisms. While differences among the study regions were mainly related to soil chemical and physical properties, the land-use index was a stronger driver for potential denitrification, and grasslands with higher land use also had greater potentials for N2O emissions. The total bacterial community did not respond to experimental treatments, displaying resilience to minor and short-term effects of climate change. In contrast, the denitrifier community tended to be influenced by the experimental treatments and particularly the nosZ abundance was influenced by drought. The results indicate that warming and drought affected the denitrifying communities and the potential denitrification, but these effects are overruled by study region and site-specific land-use index. This thesis gives novel insights into the performance of N-cycling microorganisms in grassland ecosystems. The spatial distribution of soil biogeochemical properties is strongly dependent on land-use intensity, as in return is the spatial distribution of nitrifying and denitrifying microorganisms and the ecosystem services they perform. Yet, future work will be necessary to fully understand the interrelating factors and seasonal variability, which influence the ecosystem functioning and ecosystem services that are provided by N-cycling soil microorganisms at multiple scales.Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von Landnutzungsintensität von Grünländern auf die Abundanz, Funktion und räumliche Verteilung von Stickstoff umsetzenden Bodenmikroorganismen, sowie dem Einfluss der Nutzungsintensität auf biogeochemische Bodeneigenschaften und Enzymaktivitäten des C-, N- und P-Kreislaufs. Die Fragestellung dieser Arbeit wurde in drei Studien bearbeitet, die im Rahmen des DFG Schwerpunktprogrammes 1374 Biodiversitäts-Exploratorien durchgeführt wurden. Die erste Studie sollte klären, wie sich die Landnutzungsintensität auf biogeochemische Bodeneigenschaften, Abundanz und räumliche Verteilung von Nitrifizierern und Denitrifizierern in Grünländern der Schwäbischen Alb auswirkt. Dafür wurde auf Grünländern (10 m × 10 m) mit replizierten Nutzungsintensitäten (ungedüngte Weiden, n = 3; gedüngte Mähwiesen, n = 3) ein geostatistischer Ansatz angewandt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Landnutzungsintensität die räumliche Verteilung der biogeochemischen Bodeneigenschaften und die der Stickstoff umsetzenden Mikroorganismen auf der Plot-Ebene beeinflusste: Die räumliche Heterogenität nahm für die untersuchten Bodenparameter mit zunehmender Landnutzungsintensität ab. Im Gegensatz dazu konnte eine Zunahme der räumlichen Heterogenität für Ammoniak oxidierende Mikroorganismen und nirS-Denitrifizierer bei steigender Landnutzungsintensität gezeigt werden. Diese Ergebnisse indizieren, dass auf der Plot-Skala andere abiotisch / biotisch Faktoren als jene, die in der Studie erfasst wurden, die räumliche Verteilung dieser Mikroorganismen bedingen. Weiterhin wurde gezeigt, dass Nitrifizierer (amoA AOA und amoA AOB) und Nitrat-Reduzierer (napA und narG) koexistieren, während nirK- und nirS-Denitrifizierer unterschiedliche ökologische Nischen besetzen. Die zweite Studie thematisierte den Einfluss von Landnutzungsintensität auf die räumliche Variabilität mikrobieller Abundanz und Funktion in Grünlandböden der Schwäbischen Alb. Die Landnutzung war 3 Stufen zugeordnet: niedrig (ungedüngte Weiden, n = 3), mittel (gedüngte Mähweiden, n = 3) und hoch (gedüngte Mähwiesen, n = 3). Ein geostatistischer Ansatz erlaubte es, auf der Plot-Ebene (10 m × 10 m) die räumliche Heterogenität von biogeochemische Bodeneigenschaften, mikrobieller Biomasse und von Enzymen des C-, N-, und P-Kreislaufes zu untersuchen. Die geostatistische Analyse der chemischen Bodeneigenschaften ergab räumliche Autokorrelationen (p-Range), die innerhalb der maximalen Beprobungsdistanz lagen. Eine größere Variation der p-Ranges für mikrobiologische Bodenparameter indizierte räumliche Heterogenität auf unterschiedlichen Ebenen. Die erwartete Abnahme kleinskaliger räumlicher Heterogenität mikrobieller Parameter konnte nicht bestätigt werden da für die meisten Kenngrößen eine geringere räumliche Autokorrelation bei hoher Landnutzungsintensität gefunden wurde. Dies lässt den Schluss zu, dass bei hoher Landnutzungsintensität eine erhöhte, kleinskalige Habitat-Heterogenität vorliegt. In der dritten Studie wurde untersucht, wie sich Bodenerwärmung im Frühjahr und Dürre im Sommer auf die Abundanz denitrifizierender Bakterien sowie das N2O-Emissionspotenzial in drei Grünlandökosystemen auswirken. Das Studiendesign wurde in replizierten Grünlandflächen unterschiedlicher Landnutzung und unterschiedlicher geographischer Herkunft umgesetzt (Schwäbische Alb, Hainich und Schorfheide). Die Landnutzung war für jedes Grünland durch einen individuellen Landnutzungsindex definiert der Mahd, Beweidung und Düngung während der letzten drei Jahre vor der Probennahme berücksichtigte. Es wurde untersucht, ob die von Erwärmung und Dürre induzierten Effekte von statischen Standorteigenschaften (z.B. organischer Kohlenstoffgehalt, Wasserhaltekapazität oder pH-Wert) in Zusammenhang mit der Landnutzung abhängen, und in wie weit die potentielle Denitrifikation von dynamischen Standorteigenschaften (z.B. aktueller Bodenwassergehalt, organischer Kohlenstoff, Nitrat) und der Abundanz der Denitrifizierer selbst beeinflusst ist. Erwärmung steigerte die Aktivität der Denitrifizierer und führte zu erhöhter potentieller Denitrifikation. Die Unterschiede zwischen den Untersuchungsgebieten wurden hauptsächlich durch bodenchemisch-physikalische Eigenschaften erklärt. Der Landnutzungsindex war ein starker bestimmender Faktor für die potentielle Denitrifikation und Flächen mit einem höheren Flächennutzungsindex zeigten ein erhöhtes Potential für N2O-Emissionen. Während die mikrobielle Gemeinschaft (16S rRNA Abundanz) das Potential hatte Effekte der experimentellen Erwärmung und Dürre aufzufangen, zeigten die Denitrifizierer und hier insbesondere nosZ-Denitrifizierer eine Reaktion auf das Dürreexperiment. Insgesamt zeigten Grünländer mit hohem Landnutzungsindex ein größeres Potential zu erhöhten N2O-Emissionen als Flächen mit niedrigerem Nutzungsindex, und die Ausprägung der Effekte auf die denitrifizierenden Mikroorganismen waren hauptsächlich von der Untersuchungsregion und dem Landnutzungsindex abhängig. Diese Arbeit erweitert die Kenntnisse über die Funktion und Rolle Stickstoff umsetzender Mikroorganismen in Grünland-Ökosystemen. Die räumliche Verteilung von biogeochemischen Bodenparametern wird von der Landnutzungsintensität beeinflusst und wirkt sich auf die räumliche Verteilung der Nitrifizierer und Denitrifizierer sowie deren Ökosystemleistungen aus. Um die vielfältigen Ökosystemfunktionen, die von Stickstoff umsetzenden Bodenmikroorganismen bewältigt werden auf allen Ebenen zu verstehen, sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig, um beispielsweise die zeitliche Variabilität dieser Funktionen besser zu verstehen

Long-Range Temporal Correlations in Resting State Beta Oscillations are Reduced in Schizophrenia

Symptoms of schizophrenia (SCZ) are likely to be generated by genetically mediated synaptic dysfunction, which contribute to large-scale functional neural dysconnectivity. Recent electrophysiological studies suggest that this dysconnectivity is present not only at a spatial level but also at a temporal level, operationalized as long-range temporal correlations (LRTCs). Previous research suggests that alpha and beta frequency bands have weaker temporal stability in people with SCZ. This study sought to replicate these findings with high-density electroencephalography (EEG), enabling a spatially more accurate analysis of LRTC differences, and to test associations with characteristic SCZ symptoms and cognitive deficits. A 128-channel EEG was used to record eyes-open resting state brain activity of 23 people with SCZ and 24 matched healthy controls (HCs). LRTCs were derived for alpha (8–12 Hz) and beta (13–25 Hz) frequency bands. As an exploratory analysis, LRTC was source projected using sLoreta. People with SCZ showed an area of significantly reduced beta-band LRTC compared with HCs over bilateral posterior regions. There were no between-group differences in alpha-band activity. Individual symptoms of SCZ were not related to LRTC values nor were cognitive deficits. The study confirms that people with SCZ have reduced temporal stability in the beta frequency band. The absence of group differences in the alpha band may be attributed to the fact that people had, in contrast to previous studies, their eyes open in the current study. Taken together, our study confirms the utility of LRTC as a marker of network instability in people with SCZ and provides a novel empirical perspective for future examinations of network dysfunction salience in SCZ research

Die Erweiterung des Resonanzraums: Pegida, die Aktualisierung des Völkischen und die Neuordnung des Konservatismus

Multiple Movements can be observed hitting the streets since 2014, which represent something new. Although these Movements are prima facie thematically very different, all share some common motives, which can be described as an actualization of folkish-nationalism. The Article focusses on the so called “Patriotic Europeans against the Islamization of the Occident” (Pegida) and tries first to put out the major motives, which are extracted from the speeches held at Pegida-manifestations. Secondly one motive will be traced back to the 1990s to show the development of conservationism and its rearrangement. It will be argued that the old conservative structure became disintegrated and it is renewal is based on folkish-nationalist believes. The new folkish-nationalist movements are a real threat of an open and plural society, not only because a new wave of violence against migrants and leftists takes place, but also because of a normalization of paranoid views of society and the enhancement of the possibilities of authoritarian-violent solutions to phenomena of crisis

Rechte Strategien in der Krise der Demokratie: Krisenperpetuierung und Pseudopartizipation

Der Erfolg rechter Parteien wird häufig mit ökonomischen Krisen in Verbindung gebracht, wie auch mit der Inszenierung der sozialen Frage durch diese. Der Artikel widerspricht der Annahme, dass rechte Parteien tatsächlich eine soziale Agenda hätten, und argumentiert dafür, das rechte Angebot als spezifische Strategie in der Krise der Demokratie zu verstehen. Rechte Parteien und Bewegungen arbeiten an einer weitergehenden autoritären Transformation mit einem spezifischen Partizipationsversprechen: der unmittelbaren Teilhabe an gesellschaftlicher Gewalt. Die Strategie besteht im Umdeuten des Demokratiebegriffs und der Behauptung eines mythischen Verhältnisses des "Volkswillens" zur Macht. Rechte Parteien inszenieren sich als soziale Parteien, als einzig wahre Antwort auf ökonomische Krisen. Ihr Erfolg ist aber nicht allein auf ökonomische Krisenprozesse zurückzuführen. Sie machen stattdessen ein spezielles Partizipationsangebot: Sie versprechen die Teilhabe an gesellschaftlicher Gewaltausübung gegen die erklärten Feinde

Softsensors: New approach for process monitoring cell growth in small scale fermentation systems

Process development and in particular the use of high throughput systems required sampling for controlling. One of the most important parameter is the cell growth, but sampling, sample dilution and analyzing is time consuming and generates high efforts in the case of high throughput fermentation systems. Sampling allows also only a look in the culture status at a certain time point, the information between two sample points is missing. Therefore we develop a new softsensor, which takes online signals of the bioreactor, which are correlated to cell growth to estimate the cell growth. The new approach based on multiple linear regression and on artificial neural network processed the common online signals of the bioreactors to estimate the cell growth as online signal during cultivation time. The cell growth estimated by softsensor was successful implemented in the multiple small scale bioreactor system and resulted estimated values with high confidence and low root mean squared error below 15 %

Der Einfluss psychischer Faktoren auf die Bewältigung der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD)

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ist eine der häufigsten chronischen Erkrankungen. COPD verläuft progredient und ist gekennzeichnet durch Atemnot, Husten und Auswurf. Die körperliche Symptomatik bedingt eine starke Beeinträchtigung für die Betroffenen, die mit einer geringen Lebensqualität und häufigen komorbiden psychischen Symptomen (z.B. krankheitsspezifischen Ängsten) oder psychischen Störungen einhergeht. Mit medizinischen Behandlungsmöglichkeiten kann aktuell keine vollständige Symptomreduktion erreicht werden. Aus diesem Grund und aufgrund der chronisch progredienten Natur der Erkrankung soll die Behandlung vor allem die Lebensqualität der Betroffenen erhalten. Ziel dieser Dissertation war, psychische Faktoren und deren Zusammenhänge zur gesundheitsspezifischen Lebensqualität zu untersuchen, die für die Krankheitsbewältigung nachteilig (z.B. krankheitsspezifische Ängste) oder vorteilhaft (protektive Faktoren) sind. In einer querschnittlichen Studie untersuchten wir die Hypothese, dass krankheitsspezifische Ängste in einem Zusammenhang mit der gesundheitsspezifischen Lebensqualität stehen (Studie 1). Zur besseren Erfassung dieser COPD-spezifischen Ängste wurde ein psycho-metrisches Instrument weiterentwickelt und an einer großen Stichprobe von COPD-Betroffenen untersucht. Wie erwartet gingen krankheitsspezifische Ängste mit einer geringeren gesundheitsspezifischen Lebensqualität einher. Dieser Zusammenhang zeigte sich regressionsanalytisch, nachdem u.a. psychische Symptome allgemeiner Ängstlichkeit und Depressivität, das Krankheitsstadium, Alter und Geschlecht berücksichtigt wurden. Mit zunehmender Krankheitsschwere berichteten die Betroffenen mehr krankheitsspezifische Ängste und geringere gesundheitsspezifische Lebensqualität. In einer weiteren querschnittlichen Studie untersuchten wir den Einfluss möglicher protektiver psychischer Faktoren auf die gesundheitsspezifische Lebensqualität sowie auf komorbide psychische Angst- und Depressionssymptome (Studie 2). Dabei wurden zwei Konzepte untersucht, die Prozesse inneren Wachstums darstellen und Persönlichkeitsmerkmale abbilden sollen, die Anpassungsprozesse an Stressoren und Lebensumstände begünstigen: Kohärenzsinn und Resilienz. Die regressionsanalytische Untersuchung ergab, dass mehr Kohärenzsinn und Resilienz mit einer größeren gesundheitsspezifischeren Lebensqualität sowie weniger Angst- und Depressionssymptomatik einhergingen. Zunehmende Krankheitsschwere ging mit einer geringeren gesundheitsspezifischen Lebensqualität und mehr Depressionssymptomatik einher, aber nicht mit mehr Angstsymptomatik. In einer Übersichtsarbeit wurden psychische Faktoren zusammengestellt, die in der COPD-Behandlung im Rahmen von pneumologischen Rehabilitationsmaßnahmen für die Krankheitsbewältigung relevant sind (Studie 3). Zusammenfassend zeigte sich, dass die gefundenen Faktoren dazu beitrugen, dass sich die Behandlungsergebnisse zwischen den Patienten stark unterschieden. Da pneumologische Rehabilitationsmaßnahmen ein zentraler Behandlungsbaustein bei COPD sind, wirken sie sich auf die Krankheitsbewältigung und damit ebenfalls auf die gesundheitsspezifische Lebensqualität aus. Die durchgeführten Studien betonten die Bedeutung psychischer Faktoren auf die Krankheitsbewältigung, da sie Zusammenhänge zwischen krankheitsspezifischen Ängsten, protektiven und anderen psychischen Faktoren zur gesundheitsspezifischen Lebensqualität ergaben. Es wird diskutiert, wie sich diese Erkenntnisse bewerten, Forschungsansätze vertiefen und Behandlungsmöglichkeiten ableiten lassen

Gesellschaftskritik ohne Gegenstand: Axel Honneths Anerkennungstheorie aus materialistischer Perspektive

Honneths theory of recognition has been broadly discussed as a central approach of critical social theory. Taking this seriously, the article traces first the main assumptions of Honneths approach and his examination of the main structures of society and therefor of the recognition-theoretical turn. Secondly, some major objections formulated by Nancy Fraser und Christoph F. Zurn and Jean-Philippe Derantys defence of Honneths approach will be discussed. Third, the article will argue that Honneths attempt to reformulate a normative critical social theory fails to grasp its object – society – adequately

»Werte lehren« – Studierende übernehmen soziale und ökologische Verantwortung und lernen dabei Projektmanagement

Dieser Beitrag gibt Antworten auf die Frage, wie sich neben dem Vermitteln von fachspezifischem Wissen auch Kompetenzen wie Werteorientierung, soziale, ökonomische und ökologische Nachhaltigkeit im Handeln und Entscheiden, Team- und Kooperationsfähigkeit, systematisch-methodisches Vorgehen und Planungsfähigkeit bei den Studierenden anregen lassen. Hierbei werden zum Beispiel die Methoden des „Service Learning“ und des „Lernens durch Lehren“ anhand einer beispielhaften Lehrveranstaltung angewendet. Diese verbindet in innovativer Weise die verschiedenen Themenschwerpunkte des Projektmanagements und des Blue Engineerings mit dem Verständnis für High-Tech-Technologien im Kontext der Industrie 4.0

Positive and Negative Symptoms in Schizophrenia Relate to Distinct Oscillatory Signatures of Sensory Gating

Oscillatory activity in neural populations and temporal synchronization within these populations are important mechanisms contributing to perception and cognition. In schizophrenia, perception and cognition are impaired. Aberrant gating of irrelevant sensory information, which has been related to altered oscillatory neural activity, presumably contributes to these impairments. However, the link between schizophrenia symptoms and sensory gating deficits, as reflected in oscillatory activity, is not clear. In this electroencephalography study, we used a paired-stimulus paradigm to investigate frequency-resolved oscillatory activity in 22 schizophrenia patients and 22 healthy controls. We found sensory gating deficits in patients compared to controls, as reflected in reduced gamma-band power and alpha-band phase synchrony difference between the first and the second auditory stimulus. We correlated these markers of neural activity with a five-factor model of the Positive and Negative Syndrome Scale. Gamma-band power sensory gating was positively correlated with positive symptoms. Moreover, alpha-band phase synchrony sensory gating was negatively correlated with negative symptoms. A cluster analysis revealed three schizophrenia phenotypes, characterized by (i) aberrant gamma-band power and high positive symptoms, (ii) aberrant alpha-band phase synchrony, low positive, and low negative symptom scores or (iii) by intact sensory gating and high negative symptoms.Our study demonstrates that aberrant neural synchronization, as reflected in gamma-band power and alpha-band phase synchrony, relates to the schizophrenia psychopathology. Different schizophrenia phenotypes express distinct levels of positive and negative symptoms as well as varying degrees of aberrant oscillatory neural activity. Identifying the individual phenotype might improve therapeutic interventions