Seit mehr als 10 Jahren kann biologische Aktivität durch eine Vielzahl photosensorischer Proteine beeinflusst werden. In diesem als Optogenetik bezeichneten Forschungsgebiet, werden Kationen leitende Kanalrhodopsine (CCRs) als lichtinduzierte neuronale Aktivatoren eingesetzt. Diese Arbeit soll zur Vervollständigung von optogenetischen Werkzeugen durch die Entwicklung Anionen leitender Kanalrhodopsine (ACRs) dienen, um die bestehenden Nachteile mikrobieller lichtgetriebener Ionenpumpen zu überwinden, die bislang zur neuronale Inhibition genutzt wurden. Der Austausch von E90 in C. reinhardtii Kanalrhodopsin 2 (CrChR2) durch positiv geladene Aminosäuren führte zu Entwicklung Chlorid leitender ChRs (ChloCs), die jedoch eine Restkationen-permeabilität aufwiesen. Durch Substitution zweier weiterer negativen Ladungen innerhalb des Ionenpermeationsweges, konnte die Kationenleitung vollständig aufgehoben werden. Parallel wurde durch A. Berndt et al. ein inhibitorisches C1C2 (iC1C2), basierend auf der CrChR1/2 Chimäre entwickelt. Wie auch bei den ChloCs, zeigte iC1C2 verbesserungswürdige biophysikalische Eigenschaften. Mutagenesestudien des Ionenpermeationsweges führten zur Entwicklung der verbesserten Nachfolgervariante iC++. Um ausgehend von weiteren CCRs neuartige ACRs zu entwickeln (eACRs), wurden die zuvor angewandten Mutagenesestrategien auf weitere CCRs übertragen. Zwei neue eACRs, Phobos und Aurora, mit jeweils blau- und rotverschobenen Aktionsspektrum konnten generiert werden. Bistabile eACRs wurden erzeugt, die ein lichtgesteuertes Schalten zwischen offenen und geschlossenen Zuständen ermöglichen. Schlussendlich wurde ein natürlich vorkommendes ACR (nACR) aus Proteomonas sulcata (PsACR1) identifiziert und charakterisiert. Die Maximalaktivität von PsACR1 zählt mit 540 nm zu den am stärksten rotverschobenen unter den nACRs. Elektrophysiologische und spektroskopische Untersuchungen ergaben, dass sich der Photozyklus von PsACR1 signifikant von jenen der CCRs unterscheidet. / For more than 10 years, photosensory proteins have developed as powerful tools to manipulate biological activity. In this research field termed optogenetics, cation-conducting channelrhodopsins (CCRs) mainly are utilized as light-induced neural activators. This study aimed at a complementation of the optogenetic tool box by engineering anion-conducting channelrhodopsins (ACRs) to overcome the existing drawbacks of microbial light-driven ion pumps utilized for neural inhibition so far. Replacement of E90 in the cation-conducting C. reinhardtii channelrhodopsin 2 (CrChR2) with positively charged residues reversed the ion selectivity and yielded chloride-conducting ChRs (ChloCs). Applied in neuronal cell culture, ChloCs showed residual cation permeability occasionally leading to excitation instead of the desired inhibition. Further charge elimination within the ion permeation pathway completely abolished cation conduction. In parallel, an inhibitory C1C2 (iC1C2) was developed by A. Berndt et al. based on a CrChR1/2 chimera. Though, iC1C2 displayed unsatisfactory biophysical properties as well. Further mutational modifications of the ion permeation pathway led to the development of the improved successor variant iC++. A systematic transfer of both conversion strategies to other CCRs was conducted to create engineered ACRs (eACRs) with distinct biophysical properties. Two novel eACRs, Phobos and Aurora, with blue- and red-shifted action were obtained. Additionally, step-function mutations greatly enhanced the operational light sensitivity and enabled temporally precise toggling between open and closed states using two different light colors. Finally, a natural ACR (nACR) originating from Proteomonas sulcata (PsACR1) was identified and characterized. With a maximum activation at 540 nm it is one of most red-shifted nACRs. Single turnover electrophysiological measurements and spectroscopic investigations revealed an unusual photocycle compared to that of CCRs.

Die Erforschung der Zusammenstellung kleiner Lerngruppen beschäftigt sich mit dem Problem, eine passende Gruppenzusammensetzung in einer Population von Lernern zu finden, die jeder Gruppe optimalen Nutzen bringen könnte. In letzter Zeit sind viele Studien zu diesem Problem der Kleingruppenzusammenstellung durchgeführt worden. Allerdings waren diese Forschungen nur selten auf den Kontext großer Lerner-Populationen ausgerichtet. Angesichts des zunehmenden Aufkommens von MOOCs muss jedoch das Problem der Gruppenzusammenstellung entsprechend erweitert betrachtet werden, und zwar mit neuen Forschungen, die den Kontext derartig großer Lerner-Populationen berücksichtigen. Anders als in Klassenzimmer-Settings könnte die beobachtete hohe Abbruchquote in MOOCs in einer Unterbesetzung der Gruppengröße resultieren und könnte somit viele Lerner dazu bringen, neue Gruppen zu bilden. Zusätzlich zur Gruppenzusammenstellung muss daher die Gruppenneuzusammenstellung als neues Thema in aktuellen Kontexten großer Lerner-Populationen ebenfalls erforscht werden. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit gliedern sich in zwei Teile. Der erste Teil beschäftigt sich mit Gruppenzusammenstellung. In diesem Teil stelle ich einen diskreten-PSO Algorithmus zur Zusammenstellung kleiner Lerngruppen vor und vergleiche bislang bestehende Gruppenzusammenstellungs-Algorithmen unter den Gesichtspunkten Zeitaufwand und Gruppierungsqualität. Um Gruppenzusammenstellung in MOOCs anzuwenden wurde ein Gruppenzusammenstellungsexperiment in einem MOOC durchgeführt. Die Hauptergebnisse deuten darauf hin, dass die Gruppenzusammenstellung die Abbruchsquote reduzieren kann, jedoch lediglich einen sehr schwachen Bezug zur Lernperformanz der Lerner aufweist. Der zweite Teil beschäftigt sich mit Gruppenneuzusammenstellung. Die vorliegende Arbeit stellt eine datengesteuerte Herangehensweise vor, die umfassenden Gebrauch von Gruppeninteraktionsdaten macht sowie Gruppendynamik mit einbezieht. Mittels einer in einem Simulationsexperiment durchgeführten Evaluation zeigen sich die Vorteile dieses Verfahrens: Der Lerngruppenzusammenhalt wird verbessert und die Abbruchsquote im Vergleich zu einer Zufallsverteilung reduziert. Darüberhinaus wurde hier ein Gruppen-Lern-Werkzeug entwickelt und für die Praxis vorbereitet, das die Anforderungen des geforderten Ansatzes der Gruppenneuzusammenstellung erfüllt. / Small learning group composition addresses the problem of seeking such matching among a population of students that it could bring each group optimal benefits. Recently, many studies have been conducted to address this small group composition problem. Nevertheless, the focus of such a body of research has rarely been cast to large-scale contexts. Due to the recent come of MOOCs, the topic of group composition needs to be accordingly extended with new investigations in such large learning contexts. Different from classroom settings, the reported high drop-out rate of MOOCs could result in group’s incompletion in size and thus might compel many students to compose new groups. Thus, in addition to group composition, group re-composition as a new topic needs to be studied in current large-scale learning contexts as well. In this thesis, the research is structured in two stages. The first stage is group composition. In this part, I proposed a discrete-PSO algorithm to compose small learning groups and compared the existing group composition algorithms from the perspectives of time cost and grouping quality. To implement group composition in MOOCs, a group composition experiment was conducted in a MOOC. The main results indicate that group composition can reduce drop-out rate, yet has a very weak association with students’ learning performance. The second stage is to cope with group re-composition. This thesis suggests a data-driven approach that makes full use of group interaction data and accounts for group dynamics. Through evaluation in a simulation experiment, it shows its advantages of bringing us more cohesive learning groups and reducing the drop-out rate compared to a random condition. Apart from these, a group learning tool that fulfills the goals of the proposed group re-composition approach has been developed and is made ready for practice.

Systeme mit Zeitverzögerung sind von großem Interesse in Nichtlinearer Dynamik und allgegenwärtig in den Naturwissenschaften. Gegenstand dieser Doktorarbeit ist die raumzeitliche Dynamik räumlich-ausgedehnter, nichtlinearer Systeme mit Zeitverzögerung, mit besonderem Augenmerk auf deren lokalisierte Lösungen. Die betrachteten Systeme werden beschrieben durch partielle Differentialgleichungen und gekoppelte Systeme von gewöhnlichen Differentialgleichungen mit verzögerter Rückkopplung. Hinsichtlich der partiellen Differentialgleichungen untersucht diese Arbeit die Existenz und Stabilität der ebenen Wellenlösungen ebenso, wie die Existenz und Stabilität der lokalisierten Lösungen der eindimensionalen, komplexen, kubischen und kubisch-quintischen Ginzburg-Landau Gleichung mit verzögerter, optischer Rückkopplung. Das erste Ergebnis dieser Arbeit ist die vollständige Beschreibung der Menge der ebenen Wellenlösungen und ihre Stabilität für lange Verzögerungszeiten. Aufgrund der Symmetrie der Ginzburg-Landau Gleichung bildet diese Menge eine eindimensionale Familie, die zum Auftreten einer „Tube“ in Parameter-Koordinaten führt. Das zweite, neuartige Ergebnis ist die Beschreibung der Modulationsinstabilität dieser lokalisierten Strukturen. Diese Instabilität kann zu einer periodischen und chaotischen Zickzackbewegung der Lösung führen. Das dritte Resultat ist die Charakterisierung gebundener Impulsfolgen in einem System von gekoppelten gewöhnlichen Differentialgleichungen mit Zeitverzögerung, das zur Beschreibung einer Anordnung von modengekoppelten Lasers herangezogen wird. In diesem Regime interagieren die modengekoppelten Impulse in verschiedenen Lasern lokal über die Balance von Abstoßung und Anziehung. Resultierend daraus entstehen Cluster von Impulsen, die in einzelnen modengekoppelten Lasern nicht möglich sind. Sämtliche genannte Phänomene wurden analytisch und numerisch behandelt. / Systems with time-delay are ubiquitous in nature and attract significant interest in the field of nonlinear dynamics. The scope of this Thesis is the spatiotemporal dynamics in spatially extended nonlinear systems with time-delay, with a focus on the dynamics of localized structures. The systems under consideration are described by partial differential equations with delayed feedback and coupled systems of delay differential equations. For the partial differential equations, the existence and stability of plane wave solutions as well as localized structures are investigated in one-dimensional complex cubic and cubic-quintic Ginzburg-Landau equation with delayed feedback. The first result of this Thesis is the complete description of the set of plane wave solutions and their stability in the limit of large delay time. Due to the symmetry of Ginzburg-Landau equation, this set forms a one-dimensional family which leads to the appearance of the “tube” in parameter coordinates which is filled densely with plane wave solutions with the increase of the delay time. The second novel result is the description of modulational instability of localized structures in spatially extended systems with time-delay which can lead to periodic and chaotic zigzagging movement of the solution. The third result is the description of bound pulse trains in coupled delay systems depicting an array of mode-locked lasers. In this regime mode-locked pulses in different lasers interact locally via the balance of their repulsion and attraction. As a result, clusters of pulses emerge which can not exist in a solitary mode-locked laser. All of the aforementioned phenomena were described analytically and the results are supported by path continuation methods as well as direct numerical simulations with a specially designed software tool.

Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Dissertation sind biomassebasierte Kohlen (Biokohlen, biochar), welche für eine langfristige Kohlenstoffspeicherung in Böden mit dem gleichzeitigen Ziel der zusätzlichen Bodenverbesserung hergestellt werden. Die Auswahl der Kohlen umfasste Kohlen aus Pyrolyse- und hydrothermale Carbonisierung (HTC). In dieser Arbeit werden einige zentrale Phänomene, die bei deren Ausbringung in einem bestehenden Bodenökosystem auftreten können, nähergehend untersucht. Einerseits beeinflusst das fremde Material den Stoffwechsel und die Abundanz und Vielfalt innerhalb der mirkobiellen Gemeinschaft im Boden; im Gegenzug spielen die Mikroorganismen eine aktive Rolle beim Abbau des neuen Substrats. Diese beiden Aspekte sind größer Bedeutung, um bewerten zu können, wie erfolgsversprechend der Einsatz einer bestimmten Kohle im Boden hinsichtlich der Langlebigkeit, der gewünschten Ertragseffekte sowie möglicher Nebenwirkungen ist. Daraus ergeben sich die beiden folgenden zwei Fragestellungen, auf die diese Arbeit fokusiert ist: • Welche Faktoren beeinflussen die Abbaubarkeit der Kohlen im Boden? • Welche Wirkungen haben die Kohlen auf die Bodenatmung, auf den Boden-C-Gehalt, auf die mikrobielle Abundanz und auf die Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft? Als mögliche Einflussgrößen für die Abbaubarkeit der Kohlen wurden die Art der Kohlenherstellung, eine mögliche Nachbehandlung, der Alterungsprozess sowie die Zugabe einer Nährstoff- und einer labilen Kohlenstoffquelle getestet. Für diese Studie wurden Pyrolyse- und HTC-Kohlen aus Mais-Silage in einen Sandboden ausgebracht. Grundlage aller Versuche war die Untersuchung der Respirationsdynamik in unterschiedlichen Boden-Kohle-Gemischen, die durch Infrarotspektrometrie ermittelt wurde. Sie diente als Indikator für die mikrobielle Aktivität und dem daraus resultierenden Abbau der Substrate. Ergänzend wurde am Anfang und am Ende jedes Versuchs der Boden-Kohlenstoffgehalt gemessen. Die Versuche erfolgten auf verschiedenen Skalen: • Kurzzeit-Laborinkubationen (10 Tage) unter konstanten klimatischen Bedingungen in einem automatisch gesteuerten Durchflusssystem, an das das Messgerät direkt angeschlossen wurde. • Parzellenversuch (2 Jahre) im Freiland im Nordwesten Brandenburgs, bei dem die Bestimmung der Bodenatmung mittels wiederholter Beprobung aus auf der Ackerfläche gestellten geschlossenen Hauben erfolgte. In einer Laborinkubation wurde zusätzlich eine qPCR (quantitative Echtzeit Polymerase Kettenreaktion) zur Bestimmung der Abundanz ausgewählter mikrobieller Gruppen eingesetzt. Im Feldversuch wurde außerdem die Abundanz der stabilen Kohlenstoff-Isotopen (12C und 13C) im Boden und im freigesetzten CO2 ermittelt, um den Abbau der Kohlen vom Abbau des bodenorganischen Kohlenstoffs, der durch die Kohlen beeinflusst sein kann (priming), zu unterscheiden. Die Ergebnisse bestätigen die erhöhte Stabilität beider Kohlen im Vergleich zum Ausgangsmaterial, vor allem für die Pyrolyse-Kohle, deren Abbau sowohl im Labor als auch im Freiland am langsamsten erfolgte. Bei beiden Kohlen sank die Abbaubarkeit mit ihrer Alterung. Anhand der Abbauraten im zweiten Jahr des Feldversuchs wurden für die Pyrolyse- und HTC-Kohle Halbwertszeiten von 81 bzw. 60 Jahren ermittelt. Im Gegensatz zur Pyrolyse-Kohle wies der Abbau der HTC-Kohle eine komplexere Dynamik auf, was im Lauf der 10-tägigen Inkubationsversuche mit einer Verschiebung der mikrobiellen Gemeinschaft einherging. Im ersten Jahr des Freilandversuchs kam es bei der HTC-Kohle zur Ausgasung flüchtiger und leicht abbaubarer Kohlenstoffverbindungen, wodurch die Stabilität im Folgejahr deutlich erhöht wurde. Eine Nachbehandlung der Kohlen durch anaerobe Fermentierung führte zu einer deutlichen Verminderung der kurzzeitigen Ausgasung bei HTC-Kohle, sowohl im Freiland als auch im Labor, jedoch zu einer langfristigen Reduktion der Stabilität beider Kohlen: die ermittelten Halbwertszeiten für die fermentierte Pyrolyse- und HTC-Kohle nach dem zweiten Jahr des Feldversuchs betrugen 14 bzw. 13 Jahren. Die Wirkung der unbehandelten Kohlen auf die Abundanz der untersuchten mikrobiellen Gruppen im C-armen Boden war stark reduziert im Vergleich zum Ausgangsmaterial, und unter C-reichen Bedingungen kam es zu einer Hemmung der Aktivitätssteigerung. Die Zugabe leicht verfügbaren Kohlenstoffs wie Glukose zum reinen Boden in einem Inkubationsversuch steigerte die Bodenatmung erheblich und erhöhte die Variationsbreite der mikrobiellen Gemeinschaft. In Gegenwart der Kohlen war dies allerdings weniger stark ausgeprägt. Bei Zugabe mineralischen Stickstoffs in Gegenwart von Kohlen wurde hingegen keine signifikante Veränderung der Bodenatmung nachgewiesen. Die Inkubationsversuche haben es ermöglicht, die Kurzzeitdynamik der Bodenatmung und die Anpassung der mikrobiellen Gemeinschaft nach Zugabe der Kohlen und zusätzlicher C- und N-Quellen nachzuweisen. Im Freilandversuch konnte die Abbaudynamik von Kohlenstoffverbindungen unter Praxisbedingungen untersucht werden und durch die Messung der stabilen Isotope differenzierte Aussagen über die langfristige Stabilität von zugesetzten Kohlen und der bodenorganischen Substanz getroffen werden. Eine langfristige Festlegung von Kohlenstoff ist im Boden in Form von Biokohlen ist möglich. Allerdings hängt die Dauer der Festlegung von einer Vielzahl von Faktoren wie der Art der Ausgangsstoffe, den Prozessbedingungen, den Interaktionen zwischen Kohlepartikeln und Bodenorganismen und nicht zuletzt der Versuchsdauer ab. Während Kurzzeitversuche eine gute Möglichkeit darstellen, um die Effekte veränderter Bedingungen im Boden aufzuzeigen, kann die Kohlestabilität im Boden und damit das C-Sequestrierungspotenzial am zuverlässigsten nur in Langzeitstudien im Freiland abgeschätzt werden. / The object of the present thesis is charred biomass (biochar) produced for double aim of carbon storage in soil and improvement of soil properties. The chosen chars included chars from pyrolysis and hydrothermal carbonisation (HTC). The present work investigates closely some basic phenomena which can occur upon application of chars into an existing soil ecosystem: on the one hand, the allochthonous material affects the metabolism and the relative abundance of different microbial groups; on the other hand the microorganisms play an active role in the degradation of the new substrate. These two aspects are crucial to evaluate the suitability of the application of a specific char in the soil, particularly as concerns its stability, the length of time the char remains in the soil, the expected effects on crop yields, as well as possible side effects on the soil ecosystem. Based on this, two research questions arise which have been investigated in this thesis: • What factors affect the degradability of chars in soil? • How do the chars influence soil respiration, soil carbon content, microbial abundance and the dynamics of the microbial community? The production process, a post-treatment, the ageing process as well as the addition of a source of nutrients and a source of labile carbon were assessed as possible factors in determining the degradability of chars. For the present study, pyrolysis char and HTC char from maize silage were applied to a sandy soil. The basis of all experiments was an investigation of the respiration dynamics in different soil/char mixtures, measured through an infrared spectrometer, which was used to track the microbial activity and the substrate degradation. As a complement, soil carbon was also measured at the beginning and at the end of each experiment. The investigations were performed at different scales: • Short-term laboratory incubations (10 days) under constant climatic conditions in an automatic multi-channel flowthrough system, with direct plug-in for the measurement instrument. • A plot-wise investigation (2 years) in an agricultural field in North-West Brandenburg, where the soil respiration was measured by a repeated sampling from static chambers placed hermetically on the field. For one incubation study, qPCR (qunatitative real time polymerase chain reaction) was additionally applied to determine the abundance of selected microbial groups. Moreover, for the field investigation the abundance of stable carbon isotopes (12C und 13C) in the soil and in the released CO2 was recorded, to differentiate between the degradation of the chars and the degradation of soil organic carbon, which might be affected by the presence of chars (priming). The results confirm the higher stability of both chars in comparison to the feedstock, in particular for pyrolysis char, whose decay was the slowest both in the laboratory and in the field. The degradability of both chars decreased with their ageing. Based on the decay rates in the second year of the field investigation, decay half-lives for pyrolysis char and HTC char amounted respectively to 81 years and 60 years. Other than pyrolysis char, the degradation of HTC char revealed a more complex dynamics, which was accompanied by a shift of the microbial community within the 10 days incubation. During the first year of the field experiment, an intensive release of volatile and labile compounds took place, which led to an increased stability during the following year. A post-treatment of the chars via anaerobic fermentation led to a reduction in the initial degasing of the HTC char, both in the laboratory and in the field, but also to a decrease in stability for both chars: the calculated half-lives for fermented pyrolysis char and fermented HTC char on the basis of the second year of the field investigation were respectively 14 years and 13 years. The effects of the untreated chars on the abundance of the selected microbial groups in the carbon-poor soil used was also strongly reduced in comparison to the feedstock, while in a situation of carbon abundance a inhibition of the activity increase took place. Addition of readily available carbon in the form of glucose increased soil respiration tremendously and magnified the variation amplitude of the microbial community, which was however much reduced in the presence of chars. Instead, after addition of mineral nitrogen in presence of chars, no significant variation in the soil respiration could be observed. The incubation experiments made it possible to report the short-term dynamics of the soil respiration and the adaptation of the microbial community after application of char and additional carbon and nitrogen sources. In the field experiment the decay dynamics of char compounds could be investigated in a situation of common agricultural practice and the measurement of stable isotopes has given differentiated outcomes about the long-term stability of the added chars and of the soil organic matter. Storage of carbon in the soil in the form of char for a long period is possible. How long carbon can actually be stored depends on a number of factors such as the feedstock, the carbonisation process parameters, the interactions between char particles and soil microorganisms and the duration of the investigation itself. Short-term experiments represent a good possibility to highlight the effects of modified soil conditions, while the stability of char in soil and thus the potential carbon sequestration can be estimate in the most reliable way only through long-term studies in field. / Oggetto della presente tesi sono i carboni prodotti da biomasse (biochar) e utilizzati per lo stoccaggio del carbonio nel suolo e allo stesso tempo come ammendanti per terreni agricoli. I carboni considerati sono derivati da pirolisi o carbonizzazione idrotermale (HTC). Nel presente lavoro vengono esaminati in dettaglio alcuni importanti fenomeni che si possono manifestare in seguito all’applicazione su un ecosistema preesistente nel terreno: da un lato il materiale estraneo influenza il metabolismo della materia organica, l’abbondanza e la varietà all’interno della comunità microbica nel suolo, dall’altro i microorganismi giocano un ruolo fondamentale nella degradazione del nuovo substrato. Questi due aspetti sono essenziali per valutare quanto sia opportuno l’utilizzo di un determinato carbone dal punto di vista della sua longevità, degli effetti attesi sulla resa agricola e di eventuali effetti collaterali sull’ecosistema. Da queste premesse sono emerse le seguenti domande, su cui è focalizzato il presente lavoro: • Quali fattori determinano la degradabilità dei carboni nel suolo? • Che effetti possono avere i carboni sulla respirazione del terreno, sul suo contenuto di carbonio, sull’abbondanza dei microorganismi e sulla dinamica della comunità microbica? Come possibili variabili indipendenti per la degradabilità dei carboni sono state considerate: il processo di produzione, un possibile posttrattamento, l’invecchiamento dei substrati, l’aggiunta di nutrienti e di carbonio biodisponibile. Per questo studio sono stati applicati carboni derivati da pirolisi e da HTC di insilato di mais in un terreno sabbioso. Il fondamento di tutti gli esperimenti riportati è lo studio della dinamica della respirazione microbica in diverse miscele terreno/carbone, misurata tramite spettroscopia a infrarossi, che vale come tracciante per l’attività microbica e per la degradazione del substrato. In aggiunta è stato periodicamente misurato il contenuto di carbonio nel terreno. Gli esperimenti sono stati condotti su due diverse scale: • Incubazioni in laboratorio (10 giorni) in condizioni climatiche controllate, all’interno di un apparato per la ventilazione a flusso continuo, con presa diretta per lo strumento di misura. • Esperimento in campo parcellizzato (2 anni) nel Brandeburgo nordoccidentale, dove la misura della respirazione è avvenuta per campionamento ripetuto da camere opache poggianti ermeticamente sul suolo. Per una delle incubazioni è stata anche eseguita una qPCR (reazione a catena della polimerasi quantitativa in tempo reale) per quantificare l’abbondanza di determinati gruppi tassonomici di microorganismi. Nel campo è stata inoltre misurata l’abbondanza degli isotopi stabili del carbonio (12C e 13C), sia nel terreno sia nella CO2 liberata, per differenziare la degradazione dei carboni da quella del carbonio organico nel suolo, che in principio può essere influenzata dalla presenza dei carboni (priming). I risultati confermano l’aumentata stabilità di entrambi i carboni in confronto al materiale di partenza, in particolare del carbone pirolitico che si è degradato piú lentamente, sia in laboratorio sia in campo. La degradabilità di entrambi i carboni si è in ogni caso ridotta con l’invecchiamento. Basandosi sulle emissioni del secondo anno della sperimentazione in campo, sono stati calcolati dei tempi di dimezzamento di 81 anni e 60 anni, rispettivamente per il carbone pirolitico e per il carbone da HTC. La degradazione del carbone da HTC ha rivelato una dinamica piú complessa, che testimonia un adattamento della comunità microbica nell’arco dei 10 giorni di incubazione. Nel primo anno in campo è stata rilevata un’elevata emissione di composti volatili e labili, che ha portato a un incremento della stabilità nell’anno seguente. Il posttrattamento dei carboni tramite fermentazione anaerobica ha comportato una notevole riduzione dell’iniziale mineralizzazione del carbone da HTC, ma una diminuzione della stabilità di entrambi i carboni sul lungo periodo: i tempi di dimezzamento calcolati per il carbone pirolitico fermentato e per il carbone da HTC fermentato nel secondo anno dell’esperimento sul campo valgono rispettivamente 14 anni e 13 anni. Nel terreno usato, povero di carbonio, gli effetti dei carboni sull’abbondanza dei gruppi microbici selezionati è stata nettamente ridotta rispetto al materiale non carbonizzato, mentre la reazione all’aggiunta di carbonio labile è stata tendenzialmente inibitoria. Infatti, se l’aggiunta di glucosio ha incrementato considerevolmente la respirazione e l’ampiezza delle variazioni nella comunità microbica, in presenza dei carboni le variazioni sono state fortemente ridotte. L’aggiunta di azoto inorganico non ha invece portato a variazioni apprezzabili nella respirazione. Gli esperimenti basati su incubazioni hanno consentito di determinare la dinamica a breve termine della respirazione e l’adattamento della comunità microbica in seguito ad aggiunta dei carboni e di altre sorgenti di carbonio e azoto. Nell’esperimento su campo si è potuta osservare la dinamica di degradazione dei composti carboniosi in condizioni di prassi agricola e grazie alla misura degli isotopi stabili si sono potuti ottenere risultati differenziati sulla stabilità a lungo termine dei carboni e della sostanza organica del suolo. È quindi possibile immagazzinare il carbonio in modo duraturo nel suolo sotto forma di carbone. La durata stimabile di questo immagazzinamento dipende però da molteplici fattori tra cui la materia prima, il processo di carbonizzazione, le interazioni tra particelle carboniose e microorganismi del suolo e non da ultimo la durata della sperimentazione. Gli esperimenti a breve termine sono un mezzo efficace per rilevare le conseguenze immediate di modifiche del terreno; la stabilità dei carboni e quindi il loro potenziale per il sequestro del carbonio può essere determinata nel modo piú affidabile solo in studi a lungo termine sul campo.

Wir untersuchen und berechnen Welleninvarianten von Schrödinger-Operatoren, die auf Schnitte von Hermiteschen Geradenbündeln über flachen Tori gerader Dimension wirken. Die Schrödinger-Operatoren werden aus einem translationsinvarianten Zusammenhang des Bündels sowie einem Potential, d.h. einer glatten Funktion auf dem Torus, konstruiert. Wir beschränken uns auf Bündel mit nichtentarteter Chern-Klasse und untersuchen, in welchem Umfang das Spektrum eines Schrödinger-Operators mit gegebenem Potential den Zusammenhang bestimmt. Wir berechnen die ersten fünf Welleninvarianten explizit mittels des Computeralgebrasystems Mathematica. Für einfache Potentiale erhalten wir eine vollständige Charakterisierung der Isospektralität der translationsinvarianten Zusammenhänge. Weiterhin werden allgemeine Eigenschaften der Welleninvarianten bewiesen, welche allgemeinere Aussagen über die Existenz nichtisospektraler Zusammenhänge implizieren. Andererseits ergeben sich Erkenntnisse über die Grenzen der spektralen Information, die in endlich vielen Welleninvarianten enthalten ist. Negative spektrale Ergebnisse, d.h. Unterschiede in den Zusammenhängen, die nicht durch das Spektrum bestimmt werden, werden durch die Konstruktion von Transplantationen zwischen den Schrödinger-Operatoren zweier Zusammenhänge bei gleichem Potential bewiesen. / We study and compute wave invariants of Schrödinger operators acting on sections of Hermitian line bundles over even-dimensional flat tori. The Schrödinger operators are constructed from translation-invariant connections on the bundle and a potential, a smooth function on the torus. Restricting to bundles with nondegenerate Chern class we study the extent to which the spectrum of the Schrödinger operator of a given potential determines the connection. The first five wave invariants are computed explicitly using the computer algebra software Mathematica. For simple potentials we find a full characterization of the isospectrality of the translation-invariant connections. We also prove general properties of the wave invariants, which imply a more general existence of nonisospectral connections but which also show limitations of the spectral information contained within finitely many wave invariants. Negative spectral results, i.e. differences in connections not determined by spectra, are obtained by constructing transplantations between the Schrödinger operators of two connections with a fixed potential.

Zweidimensionale (2D) Materialien bieten eine Vielzahl von neuartigen Eigenschaften und sind aussichtsreich Kandidaten für ein breites Spektrum an Anwendungen. Da hexagonales Bornitrid (h-BN) für eine Integration in Heterostrukturen mit anderen 2D Materialien geeignet ist, erweckte dieses in letzter Zeit großes Interesse. Insbesondere van-der-Waals-Heterostrukturen, welche h-BN und Graphen verbinden, weisen viele potenzielle Vorteile auf, verbleiben in ihrer großflächigen Herstellung von kontinuierlichen Filmen allerdings problematisch. Diese Dissertation stellt eine Untersuchung betreffend des Wachstums von h-BN und vertikalen Heterostrukturen von Graphen und h-BN auf Ni-Substraten durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) vor. Zuerst wurde das Wachstum von h-BN mittels elementarer B- und N-Quellen auf Ni als Wachstumssubstrat untersucht. Kristalline h-BN-Schichten konnten durch Raman-spektroskopie nachgewiesen werden. Wachstumsparameter für kontinuierliche und atomar dünne Schichten wurden erlangt. Das Keimbildungs- und Wachstumsverhalten so wie die strukturelle Güte von h-BN wurden mittels einer systemischen Veränderung der Wachstumstemperatur und -dauer untersucht. Die entsprechenden Beobachtungen wie der Änderungen der bevorzugten Keimbildungszentren, der Kristallgröße und der Bedeckung des h-BN wurden diskutiert. Ein Wachstum von großflächigen vertikalen h-BN/Graphen Heterostrukturen (h-BN auf Graphen) konnte mittels einem neuartigen, MBE-basierenden Verfahren demonstriert werden, welche es h-BN und Graphen jeweils erlaubt sich in der vorteilhaften Wachstumsumgebung, welche von Ni bereitgestellt wird, zu formen. In diesem Verfahren formt sich Graphen an der Schnittstelle von h-BN und Ni durch Präzipitation von zuvor in der Ni-Schicht eingebrachten C-Atomen. Schließlich konnte noch ein großflächiges Wachstum von Graphen/h-BN-Heterostrukturen (Graphen auf h-BN) durch das direkte abscheiden von C auf MBE-gewachsenen h-BN gezeigt werden. / Two-dimensional (2D) materials offer a variety of novel properties and have shown great promise to be used in a wide range of applications. Recently, hexagonal boron nitride (h-BN) has attracted significant attention due to its suitability for integration into heterostructures with other 2D materials. In particular, van der Waals heterostructures combining h-BN and graphene offer many potential advantages, but remain difficult to produce as continuous films over large areas. This thesis presents an investigation regarding the growth of h-BN and vertical heterostructures of graphene and h-BN on Ni substrates using molecular beam epitaxy (MBE). The growth of h-BN from elemental sources of B and N was investigated initially by using Ni as the growth substrate. The presence of crystalline h-BN was confirmed using Raman spectroscopy. Growth parameters resulting in continuous and atomically thin h-BN films were obtained. By systematically varying the growth temperature and time the structural quality as well as the nucleation and growth behavior of h-BN was studied. Corresponding observations such as changes in preferred nucleation site, crystallite size, and coverage of h-BN were discussed. Growth of h-BN/graphene vertical heterostructures (h-BN on graphene) over large areas was demonstrated by employing a novel MBE-based technique, which allows both h-BN and graphene to form in the favorable growth environment provided by Ni. In this technique, graphene forms at the interface of h-BN/Ni via the precipitation of C atoms previously dissolved in the thin Ni film. No evidence for the formation of BCN alloy could be found. Additionally, the suitability of ultraviolet Raman spectroscopy for characterization of h-BN/graphene heterostructures was demonstrated. Finally, growth of large-area graphene/h-BN heterostructures (graphene on h-BN) was demonstrated via the direct deposition of C on top of MBE-grown h-BN.

Die Ergebnisse aus den beiden Dauerfeldversuchen verdeutlichen, dass die mineralische N Düngung wie erwartet den größten Einfluss auf die Höhe der THG Emissionen hat. Die höchsten THG Minderungspotenziale zeigten sich folglich in der Reduktion der mineralischen N Düngung, insbesondere wenn die N Düngung oberhalb des standortspezifischen Ertragsoptimums liegt. Die Anpassung der Fruchtfolge kann zur Erhöhung der Bodenkohlenstoff-Vorräte beitragen und letztendlich die THG Emissionen mindern, allerdings bedarf diese These weiterer Untersuchungen. Die Ergebnisse haben weiterhin gezeigt, dass mit dem Aufbau organischer Bodensubstanz durch Stalldung erhebliche Potenziale zur THG-Minderung verbunden sind. Je nach methodischem Ansatz zur Berücksichtigung von Bodenkohlenstoff-Veränderungen ergaben sich allerdings große Unterschiede in den THG-Bilanzen und letztendlich auch in den ermittelten THG-Minderungspotenzialen. Die Entwicklung eines einheitlichen wissenschaftlichen Verfahrens zur Berücksichtigung von Bodenkohlenstoff-Veränderungen wird deshalb empfohlen. Die Ergebnisse aus der Fallstudie haben gezeigt, dass die THG Minderung in der landwirtschaftlichen Praxis eine Veränderung der Ackerflächenverhältnisse erfordert. In diesem Zusammenhang ist der Anbau emissionsintensiver Fruchtarten mit einer intensiven mineralischen N Düngung wie beispielsweise Winterraps zu reduzieren und durch den Anbau emissionsarmer Fruchtarten zu ersetzen. Im untersuchten landwirtschaftlichen Betrieb erwiesen sich Mais mit organischer N Düngung sowie der Anbau von Leguminosen als besonders emissionsarm. In der vorliegenden Arbeit konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass ein positiver Beitrag der ackerbaulichen Bodennutzung zur THG Minderung nicht zwangsläufig mit höheren Kosten für den Landwirtschaftsbetrieb verbunden sein muss, wenn bei der betriebswirtschaftlichen Optimierung die THG Emissionen angebauter Fruchtarten berücksichtigt werden. / The aim of this study was to analyze the potential for reducing greenhouse gas (GHG) emissions in different land use systems on sandy soils in the Brandenburg region in Germany, based on two long-term field experiments at Thyrow and Groß Kreutz and an on farm case study. The calculations of the GHG balances are based on the LCA standard and the German emission report guidelines. There is currently no scientific consensus on how soil organic carbon changes are to be included in GHG balances. Therefore, different approaches to include soil organic carbon changes in GHG calculations from long-term field experiments were examined. The results of the long-term field experiments showed that mineral nitrogen fertilization had the greatest influence on GHG emissions. The reduction of mineral nitrogen fertilization consequently showed the biggest GHG reduction potential especially if nitrogen fertilization was above the local level. The adaptation of crop rotations may increase soil organic carbon content and thereby mitigate GHG emissions, but this hypothesis requires further research. An increase of soil organic carbon stocks by organic fertilization was shown for the use of farmyard manure. Although this had a high GHG reduction potential, there were large differences between the analytical approaches. This highlights the need to develop standardized scientific methods for assessing GHG emissions from cropping systems. The results of the case study showed that changing the proportions of different crop species can be used for GHG reduction. In particular, the reduction of crops with high mineral nitrogen demand, e.g. oilseed rape, and the substitution with crops having low GHG emissions is recommended. Maize, receiving high rates of organic fertilizer, as well as legumes showed low GHG emissions on the evaluated farm. Furthermore, this study elaborates the potential economic benefit for agricultural enterprises with regards to the correlation of GHG reduction and an optimized crop rotation.

Metastasis Associated in Colon Cancer 1 (MACC1) ist ein prognostischer und prädiktiver Biomarker für Tumorprogression und Fernmetastasierung von Darmkrebs. Der exponentielle Anstieg der MACC1-verbundenen Publikationen seit dessen Entdeckung im Jahr 2009 verdeutlicht Mitwirkung von MACC1 am Krankheitsfortschritt vieler solider Tumore. Dies umfasst sich nicht nur die erhöhte Tumorinvasion und Metastasierung, sondern ebenso erhöhte Tumorangiogenese, dessen Stammzellfähigkeit und die Vermeidung von Apoptose. Obwohl unsere Forschungsarbeiten in den letzten Jahren neue Erkenntnisse über die Auswirkung von MACC1 in der Tumorprogression brachten, ist über dessen Proteinstruktur und der damit verbundenen Funktion in physiologischen Prozessen wenig bekannt. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die Rolle von MACC1 in der Clathrin-abhängigen Endozytose (CME) untersucht. Nach massenspektrometrischer Analyse des MACC1-Interaktoms wurde die Proteinbindung von MACC1 und den CME-verbundenen Faktoren CLTC, DNM2 und AP-2α, bzw. dem CME-Cargo TfR experimentell bestätigt. Davon ausgehend wurde der Endozytoseweg von TfR und MACC1-abhängige Änderungen in dessen Oberflächenverteilung, Internalisierung, Recycling und Proteinabbau mittels neu etablierter Methoden untersucht und ergab einen deutlichen Einfluss von MACC1 auf die Internalisierung und das Recycling von TfR. Daraufhin wurden durch Sequenzanalyse der MACC1-Proteinstruktur vorhergesagte N-terminale Interaktionsbereiche mit CME-Faktoren betrachtet, die eine Clathrin-Box sowie NPF- bzw. DPF-Motive umfassen. Deletionsvarianten von MACC1 wurden zunächst auf ihre Interaktionsfähigkeit mit CLTC, DNM2 und TfR getestet, deren subzelluläre Lokalisation bestimmt, sowie deren Einfluss auf den Endozytoseweg von TfR geprüft. Das erhöhte Recycling von TfR in Abhängigkeit von MACC1 wurde für EGFR als wichtigen Vertreter von krebsrelevanten Rezeptor-Tyrosinkinasen überprüft. Die Analyse des TfR-EGFR gekoppelten frühen Endozytosewegs ergab eine erhöhte Recyclingrate des Rezeptors in verschiedenen MACC1-überexprimierenden Zelllinien. Um den Einfluss der N-terminalen Interaktionsbereiche von MACC1 auf den Endozytoseweg von EGFR zu verstehen, wurden die MACC1-Deletionsvarianten nicht nur auf Änderungen im Verlauf der EGFR-Endozytose geprüft, sondern ebenfalls auf die Aktivierung des Rezeptors sowie nachgelagerter Signaltransduktoren wie PI3K/AKT und ERK1/2. Die Wichtigkeit der Interaktionsbereiche von MACC1 wurde durch eine Analyse der EGF-induzierten Zellproliferation bestätigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit, die die Rolle von MACC1 in der Endozytose beschreiben, erweitern die Interventionsmöglichkeiten gegenüber der Fernmetastasierung solider Tumore und könnten helfen, das Überleben betroffener Patienten zu verlängern. / Metastasis Associated in Colon Cancer 1 (MACC1) is a newly discovered prognostic and predictive biomarker associated with tumor progression and metastasis development. Since our first report concerning MACC1 in 2009, MACC1-related research has been exponentially increasing. At present, MACC1 involvement in the progression of many cancer types has become increasingly clear. MACC1 does not only promote invasion and metastasis formation, but it also induces angiogenesis, stemness and prevents apoptosis. Although in the last years our research concerning MACC1 gained new insights into cancer progression, little is known about its structural role and functions in physiological processes. In this thesis, I will address for the first time the role of MACC1 during CME (clathrin-mediated endocytosis). Importantly, MACC1’s role in CME was first suggested by interactome analysis. Thus, MACC1’s CME interactors (CLTC, DNM2, AP2α and TfR), were first identified and validated. In addition, MACC1’s impact on TfR endocytic traffic was addressed by studying its effect on surface distribution, uptake, recycling and degradation of the receptor with pioneering and newly established methods. As a result of this research, MACC1 shows a clear impact on TfR internalization and recycling. Thus, the present work dissects the MACC1 protein structure containing predicted CME domains such as clathrin box, NPFs and DPF. By deleting these domains, first the impact on the binding between MACC1 and CLTC, DNM2 and TfR were analyzed. Also, we characterized the distribution of MACC1 in the cell depending on the presence of its CME domains, and then I addressed their specific impact during TfR endocytic traffic. After we elucidated the MACC1-dependent increase in TfR recycling, we compared its newly discovered function during EGFR endocytic traffic. By analyzing TfR -EGFR coupled early endocytic traffic during EGF-stimulated internalization in MACC1 overexpressing cell lines, we discovered that MACC1 promotes faster recycling of EGFR to PM, in two different cell lines. In order to understand the MACC1 CME domains impact on EGFR endocytic traffic, we dissected not only EGFR endocytic fate in MACC1 CME mutant cell lines but also the impact on EGFR trans-activation after EGF-stimulated internalization and downstream signaling, in particular, AKT and ERK1/2. To conclude with functional analysis, we also addressed MACC1 CME domains impact on cell proliferation revealing that CME domains integrity is important for efficient cell proliferation. The present work sheds new light on MACC1’s role during endocytosis, opening a possibility of intervention on metastasis development in CRC to improve the survival of patients.

Permafrost ist ein Bestandteil der Kryosphäre der Erde, der für Ökosysteme und Infrastruktur in der Arktis von Bedeutung ist und auch eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf einnimmt. Das Auftauen von Permafrost infolge einer Klimaerwärmung zu projizieren ist mit sehr großen Unsicherheiten behaftet, da großskalige Klimamodelle entscheidende Komplexitäten von Permafrostlandschaften nicht berücksichtigen. Insbesondere bleiben in diesen Modellen Auftauprozesse in eisreichem Permafrost unberücksichtigt, welche weitreichende Landschaftsveränderungen – sogenannter Thermokarst – hervorrufen. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich ein numerisches Modell entwickelt, um Auftauprozesse in eisreichen Permafrostlandschaften zu untersuchen, und habe es angewendet, um verbesserte Projektionen darüber zu erhalten, wie viel Permafrost infolge einer Klimaerwärmung auftauen würde. Der Schwerpunkt meiner Forschung lag auf besonders kalten, eis- und kohlenstoffreichen Permafrostablagerungen in der nordostsibirischen Arktis. In drei Forschungsartikeln habe ich gezeigt, dass der neuartige Modellierungsansatz in From von lateral gekoppelten “Kacheln” verwendet werden kann, um die Entwicklung von eisreichen Permafrostlandschaften realistisch zu simulieren. Anhand numerischer Simulationen habe ich gezeigt, dass der kleinskalige laterale Transport von Wärme, Wasser, Schnee und Sediment die Dynamik von Permafrostlandschaften sowie die Menge des aufgetauten Permafrosts unter Klimaerwärmungsszenarien entscheidend beeinflusst. Weiterhin habe ich gezeigt, dass in Simulationen, die Thermokarstprozesse berücksichtigen, wesentlich mehr Kohlenstoff vom Auftauen des Permafrosts betroffen ist, als in solchen, in denen eisreiche Ablagerungen unberücksichtigt bleiben. Insgesamt stellt die in dieser Dissertation dargelegte Forschungsarbeit einen substantiellen Fortschritt bezüglich einer realistischeren Einschätzung der Dynamik eisreicher Permafrostlandschaften mittels numerischer Modelle dar. / Permafrost is a component of Earth's cryosphere which is of importance for ecosystems and infrastructure in the Arctic, and plays a key role in the global carbon cycle. Large-scale climate models reveal high uncertainties in projections of how much permafrost would thaw in response to climate warming scenarios, since they do not represent key complexities of permafrost environments. In particular, large-scale models do not take into account thaw processes in ice-rich permafrost which cause widespread landscape change referred to as thermokarst. For this thesis, I have developed a numerical model to investigate thaw processes in ice-rich permafrost landscapes, and I have used it to obtain improved projections of how much permafrost would thaw in response to climate warming. The focus of my research was on cold, ice- and carbon-rich permafrost deposits in the northeast Siberian Arctic, and on landscapes characterized by ice-wedge polygons. In three closely interrelated research articles, I have demonstrated that the novel modelling approach of laterally coupled ''tiles'' can be used to realistically simulate the evolution of ice-rich permafrost landscapes. The numerical simulations have revealed that small-scale lateral transport of heat, water, snow, and sediment crucially affect the dynamics of permafrost landscapes and how much permafrost would thaw under climate warming scenarios. My research revealed that substantially more permafrost carbon is affected by thaw in numerical simulations which take into account thermokarst processes, than in simulations which lack a representation of excess ice. These results suggest that conventional large-scale models used for future climate projections might considerably underestimate permafrost thaw and associated carbon-cycle feedbacks. Overall, the research presented in this thesis constitutes a major progress towards the realistic assessment of ice-rich permafrost landscape dynamics using numerical models.

Boreale Wälder in Permafrostregionen sind ein wesentlicher Bestandteil regionaler und globaler Klimamuster und machen etwa ein Drittel der weltweiten Waldfläche aus. Die Entwicklung der Waldbedeckung hat einen wichtigen Einfluss auf den Permafrost, da dieser durch die Vegetation geschützt wird. Der direkte Einfluss des Klimawandels auf die Wälder und der indirekte Effekt durch eine Veränderung der Permafrostdynamik können zu weitreichenden Ökosystemverschiebungen führen, die wiederum die Persistenz des Permafrosts beeinträchtigen und wichtige Ökosystemfunktionen destabilisieren könnten. Ziel dieser Dissertation ist es zu verstehen, wie sich die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Vegetation, dem Permafrost und der Atmosphäre auf die Wälder und den darunterliegenden Permafrost auswirken. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich ein eindimensionales, numerisches Landoberflächenmodell (CryoGrid), das zur Simulation der physikalischen Prozesse in Permafrostgebieten verwendet werden kann, für die Anwendung in bewaldetem Gebieten angepasst. Dazu habe ich ein detailliertes, mehrschichtiges Kronendachmodell (CLM-ml v0) und ein dynamisches Lärchenbestandsmodell gekoppelt. Dies ermöglichte den Energietransfer und das Wärmeregime welche für die komplexe Wald-Permafrost-Dynamik verantwortlich sind an verschiedenen Untersuchungsstandorten in gemischten und lärchendominierten Wäldern in Ostsibirien zu reproduzieren. Die numerischen Simulationen ergaben, dass die Wälder den thermischen und hydrologischen Zustand des Permafrosts hauptsächlich durch die Veränderung der Strahlungsbilanz und der Phänologie der Schneedecke beeinflussen und so eine stabilisierende Wirkung haben. Die Untersuchung der unterschiedlichen isolierenden Wirkung verschiedener Waldtypen und Walddichten sowie die Rückkopplungsmechanismen nach Störungen zeigen Veränderungen der thermischen und hydrologischen Bedingungen und der Tiefe der Auftauschicht. Zusammenfassend legen die Ergebnisse nahe, dass lokale, detaillierte und spezifische Landoberflächenmodelle erforderlich sind, um die komplexe Dynamik in borealen Permafrostökosystemen vollständig zu erfassen. Veränderungen der Rückkopplungen zwischen Permafrost, Klima, Wald und Störungen werden die eng gekoppelten Ökosystemfunktionen destabilisieren. Die induzierten Bodenveränderungen werden sich auf wichtige Wald- und Permafrostfunktionen, wie beispielsweise die Isolation des Permafrostbodens oder die Kohlenstoffspeicherung, und Rückkopplungsmechanismen wie Überschwemmung, Dürren, Brände, und Waldverlust, auswirken. / Boreal forests in permafrost regions make up around one-third of the global forest cover and are an essential component of regional and global climate patterns. The forests efficiently protect the underlying permafrost but the exact processes are not well understood. The direct influence of climatic change on forests and the indirect effect through a change in permafrost dynamics can lead to extensive ecosystem shifts, which will, in turn, affect permafrost persistence and potentially destabilize various ecosystem functions. The aim of this dissertation is to understand how complex interactions between the vegetation, permafrost, and the atmosphere stabilize the forests and the underlying permafrost. Within this dissertation, I have adapted a one-dimensional, numerical land surface model (CryoGrid), which can be used to simulate the physical processes in permafrost regions, for the application in vegetated areas by coupling a detailed multilayer canopy model (CLM-ml v0), and a dynamic larch stand model. An intensive validation of the model setup has allowed for the precise quantification of the heat- and water transfer processes responsible for the complex permafrost dynamics under boreal forest covers. At a variety of study sites throughout eastern Siberia, the numerical simulations revealed that the forests exert a strong control on the thermal and hydrological state of permafrost through changing the radiation balance and snow cover phenology. The forest cover has a net stabilizing effect on the permafrost ground below. The detailed physical model has furthermore enabled me to study the variation in insulation effect between different forest types and densities as well as the feedback mechanisms occurring after disturbances. In summary, the results suggest that local, detailed, and specific land surface models are required to fully comprehend the complex dynamics in boreal permafrost ecosystems. The research revealed that the feedbacks between permafrost, climate, boreal forest, and disturbances will destabilize tightly coupled ecosystem functions. The induced changes will affect key forest and permafrost functions, such as the forest's insulation capacity or the carbon budget, as well as feedback mechanisms like swamping, droughts, fires, or forest loss.