Uran kann sowohl durch geogene als auch anthropogene Vorgänge in die Umwelt gelangen. Dazu zählen natürliche Uranerzvorkommen und deren Leaching sowie die Auswaschung von Uran aus den Hinterlassenschaften des ehemaligen Uranerzbergbaus. Die Aufklärung des Verhaltens von Uran in der Geo- und Biosphäre ist für eine Risikoabschätzung des Migrationsverhaltens von Radionukliden in der Umwelt notwendig. Algen sind in der Natur weit verbreitet und die wichtigste Organismengruppe in den aquatischen Lebensräumen. Durch ihre ubiquitäre Verbreitung in der Natur ist ihr Einfluss auf das Migrationsverhalten von Uran in der Umwelt von grundlegendem Interesse z.B. um effektive und wirtschaftliche Remediationsstrategien für Wässer zu entwickeln. Außerdem stehen Algen am Beginn der Nahrungskette und spielen eine wirtschaftlich relevante Rolle als Nahrung beziehungsweise Nahrungsergänzungsmittel. Die Möglichkeit des Transfers von algengebundenem Uran entlang der Nahrungskette könnte eine ernsthafte Gesundheitsgefahr für den Menschen darstellen. Das Ziel dieser Arbeit war die quantitative und strukturelle Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Uran(VI) und der Grünalge Chlorella vulgaris im umweltrelevanten Konzentrations- und pH-Wertbereich unter besonderer Berücksichtigung der Stoffwechselaktivität. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse der Sorptionsexperimente zeigen deutlich den maßgeblichen Einfluss des Stoffwechselstatus von Chlorella auf die Wechselwirkung mit Uran. So kann in Gegenwart von umweltrelevanten Urankonzentrationen eine Remobilisierung von zuvor passiv gebundenem Uran durch die stoffwechselaktiven Algen erfolgen. Die in Abhängigkeit von der Stoffwechselaktivität, der Urankonzentration und dem pH-Wert mit den Algenzellen gebildeten Uran(VI)-Komplexe wurden strukturell mit Hilfe der spektroskopischen Methoden TRLF-, EXAFS- und ATR-FTIR-Spektroskopie charakterisiert. Mittels TEM konnte Uran in Form von 30-70 nm großen nadelförmigen Ablagerungen in der Zellwand der lebende Algenzellen nachgewiesen werden. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Vorhersage des Migrationsverhaltens von Uran unter umweltrelevanten Bedingungen und der radiologischen Risikobewertung von geogen und anthropogen auftretendem Uran. / Uranium could be released into the environment from geogenic deposits and from former mining and milling areas by weathering and anthropogenic activities. The elucidation of uranium behavior in geo- and biosphere is necessary for a reliable risk assessment of radionuclide migration in the environment. Algae are widespread in nature and the most important group of organisms in the aquatic habitat. Because of their ubiquitous occurrence in nature the influence of algae on the migration process of uranium in the environment is of fundamental interest e.g. for the development of effective and economical remediation strategies for contaminated waters. Besides, algae are standing at the beginning of the food chain and play an economically relevant role as food and food additive. Therefore the transfer of algae-bound uranium along the food chain could arise to a serious threat to human health. Aim of this work was the quantitative and structural characterization of the interaction between U(VI) and the green alga Chlorella vulgaris in environmental relevant concentration and pH range with special emphasis on metabolic activity. The obtained findings of the sorption experiments in this study demonstrate clearly, the interactions with uranium are heavily influenced by the status of the investigated Chlorella cells. So in presence of environmentally relevant uranium concentrations a remobilization of algal-bound uranium by metabolically active algae occurred. The U(VI)-algae-complexes formed in dependence of cell activity, uranium concentration and pH value were structural characterized by TRLF, EXAFS and ATR-FTIR spectroscopy. With the help of TEM under the given experimental conditions uranium was detected in form of 30-70 nm needle-like deposites in the cell wall of living algae. The obtained results of this study contribute to the prediction of the migration behavior of uranium under environmental conditions, the radiological risk assessment of geogenic and anthropogenic appearing uranium and a reliable estimation of the accumulation of uranium in the food chain.

Streptomyceten weisen einen komplexen Lebenszyklus auf, dessen Verlauf durch den sekundären Botenstoff Bis-(3´- 5´)-zyklisches dimeres Guanosinmonophosphat (c-di-GMP) und die c-di-GMP-Effektorproteine BldD und RsiG reguliert wird. Der Auf- bzw. Abbau von c-di-GMP wird von Diguanylatzyklasen (DGC) mit GGDEF-Domänen bzw. Phosphodiesterasen (PDE) mit EAL- oder HD-GYP-Domänen katalysiert. In S. venezuelae, einem Modellorganismus der Streptomyceten, konnten zehn potenziell c-di-GMP metabolisierende Enzyme identifiziert werden, von welchen mit RmdA und RmdB zwei GGDEF-EAL-Tandem-Proteine im Fokus dieser Arbeit stehen. Die chromosomale Deletion der für RmdA und RmdB kodierenden Gene führt zu einer ausgeprägten Verzögerung der Entwicklung in S. venezuelae. Mit Hilfe chromosomaler Mutationen konnten die EAL-Motive der EAL-Domänen als essenziell für die in vivo Funktion beider Proteine identifiziert werden. Beide Proteine zeigen in vitro PDE-Aktivität und RmdA konnte als bifunktionales Enzym charakterisiert werden, da es in vitro auch DGC-Aktivität aufweist. Mittels Nukleotidextraktionen konnte RmdB als Haupt-PDE in S. venezuelae identifiziert werden, welche über den gesamten Entwicklungsverlauf für den Abbau von c-di-GMP verantwortlich ist. Aber auch RmdA hat während des Übergangs von der vegetativen zur reproduktiven Wachstumsphase Einfluss auf die globale zelluläre c-di-GMP Konzentration. Durchgeführte Transkriptomanalysen und qRT-PCR-Experimente ergaben, dass in den Deletionsmutanten die Expression einiger wichtiger entwicklungsspezifischer Gene im Vergleich zum Wildtyp herunterreguliert ist. Dies ist vermutlich auf die erhöhten c-di-GMP Konzentrationen in den Deletionsmutanten zurückzuführen, wodurch die Aktivität der c-di-GMP-Effektorproteine BldD und RsiG beeinflusst wird und die verzögerte Entwicklung der Deletionsmutanten erklärt werden kann. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass RmdB mit dem Sigmafaktor der Sporulation, WhiG, interagieren kann. / Streptomycetes show a complex life cycle. The transition between the different developmental stages is regulated by the secondary messenger bis- (3´- 5´) -cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) and the c-di-GMP effector proteins BldD and RsiG. c-di-GMP is synthesized by diguanylate cyclases (DGCs) with GGDEF domains, and its degradation is catalyzed by phosphodiesterases (PDE) with EAL or HD-GYP domains. In S. venezuelae, the Streptomyces strain which was used as a model organism in this work, there are ten potentially c-di-GMP metabolizing enzymes, of which two GGDEF-EAL tandem proteins, RmdA and RmdB, are the focus of this work. The deletion of the genes coding for RmdA and RmdB leads to a pronounced developmental delay in S. venezuelae. With the help of chromosomal mutations, the EAL motif was identified as essential for the in vivo function of RmdA and RmdB. Furthermore, both proteins were characterized in vitro as active PDEs and RmdA as a bifunctional enzyme, which also showed DGC activity. RmdB was identified as the master PDE in S. venezuelae by means of nucleotide extraction and is responsible for the hydrolysis of c-di-GMP over the course of development investigated. Also RmdA has an influence on the global cellular c-di-GMP concentration during the transition from the vegetative to the reproductive growth phase. A transcriptome analysis, qRT-PCR experiments and related follow-up experiments showed that the deletion of rmdA and rmdB leads to a differential expression of genes which code for important development-specific factors and regulators. This is presumably due to the increased c-di-GMP concentrations in the deletion mutants, with the c-di-GMP effector proteins BldD and RsiG delaying the transition to the next growth phase. Furthermore, it could be shown that RmdB can interact with the sigma factor of sporulation, WhiG.

In this study, we aim to employ Chlorella vulgaris algae for removal of nutrients in wastewater and collect the produced algae by ferrate after treatment. The growth of algae was conducted in F/2 synthetic medium and in actual domestic wastewater. The removals of nitrogen and phosphorous by algae were then investigated for low and high nutrient concentrations using wastewater after biological treatment in both batch and continuous experiments. Results showed that specific growth rates in the exponential phase were 0.23 and 0.35 day-1 for F/2 medium and domestic wastewater, respectively, proving the suitability of wastewater for algae growth. The removal efficiency of ammonia, nitrate, and phosphate were 89 - 93, 64 - 76, and 69 – 88%, respectively. In the algae collection test, pH 8 is the optimal pH to remove algae and ferrate had higher algae removal ability than alum under each optimal condition with removal efficiency of 84 - 97% at dosage of 12 mg Fe/L. These results suggest that microalgae is a potential alternative for removing of nutrients in wastewater treatment due to the high uptake capacity of nitrogen and phosphorous and the effective collection of algae after treatment by ferrate. / Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng bằng tảo Chlorella vulgaris trong môi trường nước thải sinh hoạt, thông qua khả năng xử lý N và P từ nguồn nước khi tảo tăng trưởng và khả năng keo tụ để thu hồi tảo bằng ferrate. Tốc độ tăng trưởng đặc thù µ trong môi trường F/2 và nước thải sinh hoạt lần lượt là 0,23 ngày-1 và 0,35 ngày-1. Hiệu suất xử lý ammoni, nitrát và phốt phát- lần lượt đạt 89 - 93%, 64 - 76% và 69 - 88%. Kết quả thí nghiệm keo tụ thu hồi tảo cho thấy pH = 8 là thích hợp nhất để loại bỏ tảo bằng ferrate và việc sử dụng ferrate cho hiệu quả tách tảo tốt hơn phèn nhôm với lượng sử dụng ít hơn. Ở hàm lượng 12 mgFe/L, hiệu quả tách tảo đạt cao nhất từ 84 - 97%. Nghiên cứu cho thấy tiềm năng thay thế công nghệ sinh học truyền thống bằng công nghệ vi tảo trong loại bỏ các chất dinh dưỡng và khả năng thu hồi tảo hiệu quả bằng cách sử dụng ferrate.

Die Entstehung unterschiedlicher Zellformen ist eine zentrale Frage der Biologie und von besonderer Bedeutung für ein umfassendes Verständnis des Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae. Form und Integrität dieser Hefen werden durch die Eigenschaften ihrer Zellwand bestimmt. Die mechanischen Prozesse in der Zellwand während der Morphogenese von Hefen sind jedoch wenig verstanden. Zwei Arten der Morphogenese, Knospung und Paarung, wurden hier untersucht, um gemeinsame Prinzipien und Unterschiede hinsichtlich ihrer Zellwandmechanik zu finden. Dabei wurden AFM-basierte Techniken sowie theoretische Modelle verwendet, um räumliche und zeitliche Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zu beurteilen. Im ersten Teil wird ein biophysikalisches Modell der Knospung vorgestellt, das auf einem Unterschied der mechanischen Zellwandeigenschaften von Mutter und Knospe beruht und die Volumenentwicklung einzelner Zellen beschreiben kann. Da Messungen keinen ausreichenden Unterschied in der Zellwandelastizität zwischen beiden Kompartimenten zeigten, wird deren Viskoplastizität als Unterscheidungsmerkmal vorgeschlagen. Eine Kalibrierung des Modells an Einzelzellmessungen lieferte neben Schätzungen dieser Zellwandviskoplastizität auch die anderer wichtiger Wachstumsparameter. Im zweiten Teil werden nanorheologische Messungen genutzt, um zu zeigen, dass die Zellwand hauptsächlich elastisch ist und ein strukturelles Dämpfungsverhalten aufweist. Dabei wird diskutiert, die Zellwand analog zu einem „soft glassy“ Material zu beschreiben. Im letzten Teil wird die Notwendigkeit eines spezifischen Elastizitätsmusters der Zellwand für das gerichtete Wachstum während der Paarungsmorphogenese beschrieben, welches weicheres Material am Schaft sowie steiferes Material am Apex einschließt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass räumlich und zeitlich veränderliche viskoelastisch-plastische Zellwandeigenschaften die Morphogenese von S. cerevisiae bestimmen. / Morphogenesis is a central field in biology and of particular importance for a comprehensive understanding of the model organism Saccharomyces cerevisiae. Shape and integrity of yeast cells are determined by its cell wall. However, mechanical processes underlying yeast morphogenesis and are poorly understood. Two modes of yeast morphogenesis, budding and mating, have been studied to find common principles and differences in cell wall mechanics. AFM-based techniques as well as computational models were used to assess spatial and temporal differences in the mechanical properties. In the first part, a biophysical model for the expansion during budding is presented that bases on a difference in the mechanical cell wall properties of mother and bud and accurately describes the volume dynamics of single cells. Since measurements revealed no difference in the cell wall elasticity between both compartments, visco-plastic properties are proposed as distinguishing feature. Fitting the model to single-cell volume trajectories, provided estimations for the visco-plasticity of the cell wall and other key growth parameters. In the second part, nano-rheology measurements were used to confirm that the cell wall is mainly elastic and demonstrate that it shows structural damping behavior. Furthermore, the possibility to describe the cell wall analogous to a “soft glassy” material is discussed. In the last part, the necessity of a specific elasticity pattern of the cell wall for directed growth during yeast mating morphogenesis is shown, including softer material at the shaft and stiffer material at the apex. By showing that spatially and temporally varying viscoelastic-plastic cell wall properties govern the morphogenesis of S. cerevisiae, this work contributes to deciphering molecular mechanisms underlying the growth of yeast and other walled cells.

Parasiten durchlaufen in ihrem Lebenszyklus morphologisch verschiedene Stadien. Die Kontrolle des Übergangs zwischen den Stadien kann die Transmission in einen neuen Wirt begünstigen. Bei vielen Parasiten ist unbekannt, welche Faktoren die Progression des Lebenszyklus beeinflussen. Der Ablauf kann genetisch prädeterminiert sein (kanalisiert) oder von äußeren Einflüssen abhängen (phänotypische Plastizität). Hier wurde die Progression des Lebenszyklus zweier Darmparasiten in Mäusen untersucht. Die Oozysten von Eimeria falciformis wurden quantifiziert und die Transkriptome von Parasit und Wirt wurden in Mäusen unterschiedlicher Immunkompetenz analysiert. Wenngleich erwartet wurde, dass die Immunantwort einen Stressor für das Pathogen darstellt, hatte die Immunkompetenz des Wirts keine Auswirkungen auf den Zeitpunkt der Oozystenausscheidung und das Transkriptomprofil des Parasiten. E. falciformis konnte nicht von der Immunschwäche des Wirtes profitieren; ist also hinsichtlich der Immunantwort des Wirts genetisch kanalisiert. In G. duodenalis wurde untersucht, inwiefern die Progression des Lebenszyklus, d.h die Trophozoitenreplikation bzw. die Zystenausscheidung, von Arginin abhängt. Die Replikation der Trophozoiten war nicht von Arginin aus der Nahrung abhängig; die Ausscheidung infektiöser Zysten war unter argininarmen Bedingungen jedoch verringert. Dies lässt vermuten, dass der Ablauf des Lebenszyklus von G. duodenalis, insbesondere die Enzystierung, an die Argininzufuhr gekoppelt ist. Die Umstellung des Metabolismus von G. duodenalis hin zur Produktion eines wichtigen Zystenwandbestandteils wird hier als mechanistische Verbindung zwischen ATP-Erzeugung aus Arginin in Nichtsäugetieren (Arginindihydrolase-Stoffwechselweg), verringerter Glykolyse und der Zystenwandsynthese erörtert. Somit könnte Arginin als Stimulus für phänotypische Plastizität bei der Enzystierung von G. duodenalis dienen. / Eukaryotic parasites have life cycles with morphologically distinct stages. Accurate timing of the conversion from one stage into another can be beneficial for transmission into a new host. Often little is known about determinants for such life cycle progression or the genes involved. Timing can be genetically pre-determined (canalized) or depend on exposure to a stimulus (phenotypic plasticity). Here, life cycle progression of two unicellular intestinal parasites was investigated in mice. For Eimeria falciformis, oocyst stage parasites were quantified, and parasite and host transcriptomes analyzed in differently immune competent hosts. Host immune response stimuli are expected to induce stress on the pathogen, but different host immune competences did not change the timing of oocyst shedding or influence parasite transcriptome profiles. E. falciformis was unable to benefit from hosts with weakened immune responses. It is therefore an example of a genetically canalized parasite with regards to host immune stimulus. In Giardia duodenalis, dependence on arginine for life cycle progression was investigated. The in vivo relevance for parasite replication is unknown. Trophozoite stage replication and cyst shedding were assessed in hosts fed normal and arginine-free diets. G. duodenalis did not depend on dietary arginine for trophozoite replication, but infective cysts were reduced in number under arginine-poor conditions. Dependence on arginine for life stage switching suggests that G. duodenalis could time progression by encysting upon arginine exposure. G. duodenalis metabolic reprograming to generate a major cyst wall component is discussed as a strategy to mechanistically link 1) non-mammalian ATP generation (arginine dihydrolase pathway) from arginine with 2) decreased glycolytic flux and 3) cyst wall generation. Therefore, arginine may be an external stimulus for phenotypic plasticity of encystation in G. duodenalis.

Die fünf CSS-Domänen Phosphodiesterasen aus Escherichia coli K12 (E. coli) gehören zu den weit verbreiteten c-di-GMP-PDEs. Ein Vertreter, PdeC, wurde bereits von Herbst et al. (2018) charakterisiert. Durch DsbA/DsbB geförderte Disulfidbrückenbindung (DSB) in der CSS-Domäne von PdeC wird die PDE-Aktivität des Proteins gehemmt. Gegenteilig ist die freie Thiolform, in Abhängigkeit von der TM2 als Dimerisierungs-Domäne, enzymatisch aktiver. Diese Form wird von den periplasmatischen Proteasen DegP und DegQ prozessiert. Ein irreversibel aktiviertes TM2+EAL-Fragment wird generiert, dass durch weitere Proteolyse langsam entfernt wird. Die Reduktion der CSS-Domäne von PdeC zur der freien Thiolform stimuliert die PDE-Aktivität der EAL-Domäne in vitro. Zusammen mit den Daten von Herbst et al. (2018) wird die CSS-Domäne in dieser Arbeit als eine neue sensorische Domäne charakterisiert, dessen Aktivität durch einen DSB/Thiol-Schaltmechanismus reguliert wird. Alle fünf CSS-Domänen-PDEs von E. coli K12 weisen eine ähnliche Domänenarchitektur auf, jedoch unterscheiden sich Redox-Biochemie, Proteolyse und PDE-Aktivität innerhalb dieser Proteinfamilie. Auf Basis der PDE-Aktivität von Nicht-DSB-Varianten wurden PdeB, PdeC und PdeG als aktivierbare (Reduktion steigert die PDE-Aktivität) und PdeD und PdeN als nicht aktivierbare (Reduktion inaktiviert PDEs) charakterisiert. Ein weiterer Vertreter de CSS-Domänen PDEs, PdeN, scheint nicht über die Ausbildung einer DSB in der CSS-Domäne reguliert und aktiviert zu werden. Nach erfolgter Proteinbiosynthese wird die Proteinkonzentration vielmehr über den N-Terminus reguliert, wobei saure Wachstumsbedingungen das Protein maßgeblich induzieren und die Aktivität erhöhen. Wird das Protein erfolgreich in die Membran eingelagert, kann es bedingt durch die strukturelle DSB seine PDE-Aktivität entfalten und die Biofilmmatrixproduktion maßgeblich beeinflussen. / The five CSS domain phosphodiesterases from Escherichia coli K12 (E. coli) belong to the widespread group of c-di-GMP PDEs. One representative, PdeC, has already been characterized by Herbst et al. (2018). DsbA/DsbB promoted disulfide bond (DSB) formation in the CSS domain of PdeC inhibits the PDE activity of the protein. On the contrary, the free thiol form is more enzymatically active, depending on the TM2 as the dimerization domain. This form is processed by the periplasmic proteases DegP and DegQ. An irreversibly activated TM2 + EAL fragment is generated that is slowly removed by further proteolysis. The reduction of the CSS domain of PdeC to the free thiol form stimulates the PDE activity of the EAL domain in vitro. Together with the data from Herbst et al. (2018) the CSS domain is characterized as a new sensory domain whose activity is regulated by a DSB / thiol switch mechanism. All five E. coli K12 CSS domain PDEs share a similar domain architecture, but redox biochemistry, proteolysis, and PDE activity differ within the protein family. On the basis of the PDE activity of non-DSB variants, PdeB, PdeC and PdeG were characterized as activatable (reduction increases PDE activity) and PdeD and PdeN as non-activatable (reduction inactivated PDE activity). Another representative of the CSS domain PDEs, PdeN, does not seem to be regulated and activated by forming a DSB in the CSS domain. After protein biosynthesis the protein concentration is rather regulated via the N-terminus, with acidic growth conditions significantly inducing the protein and increasing its activity. If the protein is successfully inserted in the membrane, it can develop its PDE activity due to the structural DSB and influence the biofilm matrix production significantly.

Die Protothekenmastitis des Rindes ist eine therapieresistente, weltweit vorkommende Infektionskrankheit. Das ätiologische Agens, die farblose Alge Prototheca (P.) zopfii, kommt ubiquitär in feuchten Habitaten vor und verursacht fakultativ akute bis chronische Entzündungen des Rindereuters. Es gibt Hinweise auf das Vorkommen eines speziellen, Mastitis-assoziierten Biotyps von P. zopfii, der sogenannten Variante II. Durch die oft zu beobachtende endemische Ausbreitung in Milchviehbeständen sowie durch die nachhaltige Therapieresistenz, welche oft zum wirtschaftlichen Totalverlust der betroffenen Milchkühe führt, stellen Protothekenmastitiden beim Rind ein großes ökonomisches Problem für den betroffenen Betrieb dar. Da bisher nur sehr beschränkte Erkenntnisse zur lokalen und systemischen Immunantwort sowie zur Erregerausscheidung im Verlaufe der Protothekenmastitis des Rindes vorlagen, wurden die verschiedenen klinischen Stadien dieser Infektion serologisch, kulturell sowie durch Bestimmung der Zahl der somatischen Zellen in der Milch charakterisiert. Zu diesem Zwecke wurden drei verschiedene ELISA-Systeme entwickelt, die anschließend auch auf ihren möglichen Einsatz bei der Diagnostik der Protothekenmastitis hin untersucht wurden. Dies geschah in einem hochgradig an Protothekenmastitis erkrankten Milchviehbestand. Darüber hinaus wurden verschiedene Isolate von P. zopfii auxanographisch, biochemisch, serologisch und genetisch untersucht, um eine Differenzierung innerhalb der Algenspezies P. zopfii vornehmen zu können. Anhand der auxanographischen, biochemischen, serologischen und genetischen Untersuchungen war eine eindeutige Differenzierung von drei verschiedenen Bio-, Sero- und Genotypen innerhalb der Algenspezies P. zopfii möglich. Alle untersuchten Mastitisisolate konnten eindeutig der Variante II von P. zopfii zugeordnet werden, womit dieser Variante eine besondere epidemiologische Bedeutung bei der Entstehung der Protothekenmastitis des Rindes zu zukommen scheint. Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass akut infizierte Tiere sowohl die höchsten Antikörperaktivitäten an IgG im Blutserum sowie an IgA und IgG1 im Milchserum als auch die höchsten Gehalte an somatischen Zellen in der Milch aufweisen. Chronisch infizierte Milchkühe weisen zum Teil sehr hohe Antikörperaktivitäten in der Milch auf und unterschieden sich nicht signifikant von akut infizierten Tieren. Demgegenüber weisen diese chronisch infizierten Tiere signifikant höhere IgG-Aktivitäten im Blutserum sowie IgA- und IgG1-Aktivitäten in der Milch auf als nicht infizierte Tiere. Somit ist eine eindeutige Differenzierung zwischen infizierten und nichtinfizierten Kühen möglich. Die ELISAs zum Nachweis von spezifischem IgA und IgG1 im Milchserum erwiesen sich als besonders geeignet, um infizierte Kühe zu identifizieren. Beide serologischen Testsysteme wiesen Sensitivitäten von 96,3 % für IgA sowie 92,6 % für IgG1 und Spezifitäten von 94,4 % (IgA) und 96,3 % (IgG1) auf. Demgegenüber wies der ELISA zum Nachweis von spezifischem IgG im Blutserum bei einer Spezifität von 100 % nur eine Sensitivität von 81,5 % auf. Die sehr gute Reproduzierbarkeit der Tests wurde durch Intra-Assay-Variationen von 6,08 % für den Nachweis von IgA im Milchserum und 7,20 % für IgG1 sowie durch die geringe Inter-Assay-Variation von 6,32 % (IgA) und 9,74 % (IgG1) belegt. Der Einsatz dieser Testsysteme bei der Sanierung eines hochgradig mit P. zopfii infizierten Milchviehbestandes zeigte, dass die serologische Diagnostik dem bisher gebräuchlichen kulturellen Erregernachweis bei der Identifikation intermittierender Erregerausscheider überlegen ist. Es wurde deutlich, dass 70,5% der infizierten Tiere die Erreger über einen Zeitraum von 12 Monaten permanent ausschieden und mindestens weitere 4,9 %, wahrscheinlich jedoch wesentlich mehr, dieser infizierten Tiere intermittierende Erregerausscheider waren. Somit scheint der serologische Erregernachweis für die Diagnostik der Protothekenmastitis des Rindes besser geeignet zu sein als die kulturelle Diagnostik. Dabei wurde die höchste Sensitivität durch die Kombination des Nachweises von spezifischem IgA und IgG1 im Milchserum erzielt. / Protothecosis is a severe, often endemic mastitis in cattle caused by colorless algae of the genus Prototheca. Only little and insufficient knowledge about the organism itself, and the host immune response to this infection existed. Therefore, the aim of this thesis was to characterize the local and systemic immune response and the possible elimination or persistence of the pathogen in the host. To gain more information on the specific immune response, different clinical stages of infection were characterized serologically, culturally, and by determination of the number of the somatic cells in milk. Three different ELISA systems were developed, which were also examined for their diagnostic application potential. For the investigations, a dairy herd highly infected with Prototheca zopfii and severe clinical manifestation of protothecal mastitis was used. The ELISA was evaluated using serum and whey from animals with different clinical stages of infection. As antibody isotypes, IgG in serum, and IgA and IgG1 in whey were used. In addition, different isolates of P. zopfii were biochemically, serologically, and genetically examined in order to allow a differentiation of individual isolates within the species P. zopfii. The biochemical, serological and genetic investigations allowed a clear differentiation of the three known Variants of P. zopfii. All examined mastitis isolates could be assigned to variant II of P. zopfii. Therefore, it can be concluded that this variant has a particular epidemiological significance in the etiology of bovine protothecal mastitis. The serological investigations showed high antibody activities during acute and chronic stage of infection. The antibody activity was low in chronically infected, but presently cultural negative animals and also in uninfected animals. A strong correlation was observed between whey IgA and whey IgG1 antibody activity and the count of somatic cells in milk. Whereas, only a weak correlation exists to the number of algae cells excreted with the milk. A sensitivity of 96 % and a specificity of 94 % were calculated for the ELISA based on IgA levels. The ELISA for detection of specific IgG1 in whey shows a sensitivity of 92,6 % and a specificity of 96,3 %. Intra-assay and interassay variations were calculated to be at 6.08 % and 6.32 %, respectively. Based on these data, these ELISAs are suitable for discrimination between infected and uninfected animals, and might therefore be used for the screening of affected herds. When used in the remediation of a high-grade infected dairy herd the serological showed clear advantages in the identification of intermittent shedders. By culturing of Prototheca from milk, it was shown that 70.5% of the infected animals were permanent shedders, whereas 4.9 % were intermittent shedders. Since intermittent shedders could be clearly identified serologically, but might not be recognized by culturing, it can be assumed that serological diagnostics is more suitable for the identification of inapparently infected, intermittent shedders.

Cyanobakterien sind meist photoautotroph lebende Prokaryoten, welche nahezu alle Biotope der Welt besiedeln. Sie gehören zu den wichtigsten Produzenten der weltweiten Nahrungskette. Um sich auf den täglichen Wechsel von Tag und Nacht einzustellen, besitzen Cyanobakterien eine innere Uhr, bestehend aus den Proteinen KaiA, KaiB und KaiC, deren biochemische Interaktionen zu einem 24-stündigen Rhythmus von Phosphorylierung und Dephosphorylierung führen. Die circadiane Genexpression im Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 habe ich mittels drei verschiedener Zeitserienexperimente untersucht, wobei ich einen genauen Zeitplan der Genaktivierung in einer Tag-Nacht-Umgebung, aber keine selbsterhaltenden Rhythmen entdecken konnte. Allerdings beobachtete ich einen überaus starken Anstieg der ribosomalen RNA in der Dunkelheit. Aufgrund ihrer hohen Wachstumsraten und der geringen Anforderungen an die Umwelt bilden Cyanobakterien eine gute Grundlage für die nachhaltige Erzeugung von Biokraftstoffen, für einen industriellen Einsatz sind aber weitere Optimierung und ein verbessertes Verständnis des Metabolismus von Nöten. Hierfür habe ich die Orthologie von verschiedenen Cyanobakterien sowie die Konservierung von Genen und Stoffwechselwegen untersucht. Mit einer neu entwickelten Methode konnte ich gemeinsam vorkommende Gene identifizieren und zeigen, dass diese Gene häufig an einem gemeinsamen biologischen Prozess beteiligt sind, und damit bisher unbekannte Beziehungen aufdecken. Zusätzlich zu den diskutierten Modulen habe ich den SimilarityViewer entwickelt, ein grafisches Computerprogramm für die Identifizierung von gemeinsam vorkommenden Partnern für jedes beliebige Gen. Des Weiteren habe ich für alle Organismen automatische Rekonstruktionen des Stoffwechsels erstellt und konnte zeigen, dass diese die Synthese von gewünschten Stoffen gut vorhersagen, was hilfreich für zukünftige Forschung am Metabolismus von Cyanobakterien sein wird. / Cyanobacteria are photoautotrophic prokaryotes populating virtually all habitats on the surface of the earth. They are one of the prime producers for the global food chain. To cope with the daily alternation of light and darkness, cyanobacteria harbor a circadian clock consisting of the three proteins KaiA, KaiB, and KaiC, whose biochemical interactions result in a phosphorylation cycle with a period of approximately 24 hours. I conducted three time-series experiments in the model organism Synechocystis sp. PCC 6803, which revealed a tight diurnal schedule of gene activation. However, I could not identify any self-sustained oscillations. On the contrary, I observed strong diurnal accumulation of ribosomal RNAs during dark periods, which challenges common assumptions on the amount of ribosomal RNAs. Due to their high growth rates and low demand on their environment, cyanobacteria emerged as a viable option for sustainable production of biofuels. For an industrialized production, however, optimization of growth and comprehensive knowledge of the cyanobacterial metabolism is inevitable. To address this issue, I analyzed the orthology of multiple cyanobacteria and studied the conservation of genes and metabolic pathways. Systematic analysis of genes shared by similar subsets of organisms indicates high rates of functional relationship in such co-occurring genes. I designed a novel approach to identify modules of co-occurring genes, which exhibit a high degree of functional coherence and reveal unknown functional relationships between genes. Complementing the precomputed modules, I developed the SimilarityViewer, a graphical toolbox that facilitates further analysis of co-occurrence with respect to specific cyanobacterial genes of interest. Simulations of automatically generated metabolic reconstructions revealed the biosynthetic capacities of individual cyanobacterial strains, which will assist future research addressing metabolic engineering of cyanobacteria.

Der Klimawandel bedroht Ökosysteme auf der ganzen Welt. Besonders der Anstieg in Länge, Intensität und Häufigkeit von Dürren kann bedeutenden Einfluss auf den globalen Kohlenstoffkreislauf haben. Die Frage, ob Pflanzen und Mikroorganismen anfällig gegenüber ökologischem Stress wie Dürren sind, wurde bereits in vielen Studien für verschiedene Ökosysteme und mit verschiedenen Ansätzen untersucht, aber Analysen von Dürreauswirkungen, die ober- und unterirdische Interaktionen von Pflanzen und Mikroorganismen mit einbeziehen, sind eher selten. Deshalb wird in der vorliegenden Studie die Frage erörtert, wie Trockenheit und/oder Hitze die Interaktionen von Pflanzen und Mikroorganismen in Bezug auf ihre Kohlenstoff-Verbindung beeinflussen. Dies dient zur Bestimmung der Stärke der Pflanze-Mikroorganismen-Kohlenstoff-Verbindung, wenn das Ökosystem an seine Grenzen gebracht wird. Der Fokus liegt deshalb auf durch Trockenstress und Hitze hervorgerufenen Veränderungen in der ober-unterirdischen Kohlenstoff-Dynamik in zwei vom Klimawandel bedrohten Ökosystemen. Es wurde untersucht, wie extreme Klimaereignisse, deren Häufigkeit in Zukunft weiter ansteigen soll, die Kohlenstoff-Verbindung zwischen Pflanzen und Mikroorganismen beeinflusst und wie mikrobielle Gemeinschaften unter diesen Umständen reagieren, um die Resistenz und Reaktionsmechanismen von Ökosystemen im zukünftigen Klimawandel besser vorhersagen zu können. In Kapitel 4 wurde ein Buchenwaldunterholz-Ökosystem untersucht. Buchenwaldmonolithen wurden einem extremen Klimaereignis (Trockenheit und/oder Hitze) ausgesetzt. Die Stärke der Pflanze-Mikroorganismen-Kohlenstoff-Verbindung und Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur und -aktivität wurden mithilfe von stabilen 13C Isotopenmethoden und Ansätzen auf molekularer Basis, wie 16S rRNA- und Phospholipid-Analysen, bestimmt. In Kapitel 5 wurde ein kleines aquatisches Ökosystems untersucht. Zwei emerse aquatische Makrophyten, Phragmites australis und Typha latifolia, wurden in einem Mesokosmos-Experiment mit Sediment aus einem Soll einer einmonatigen Dürre ausgesetzt. Mithilfe einer 13CO2 Pulsmarkierung, sowie PLFA- und nicht-strukturbildenden Kohlenhydrat-Analysen wurde Kohlenstoff von den Blättern in die Wurzeln bis ins Sediment verfolgt, wo er teilweise in mikrobielle Phospholipide eingebaut wird. Diese Studie hat gezeigt, dass die zwei untersuchten Ökosysteme Trockenstress und Hitze relativ gut widerstehen können, zumindest kurzfristig, und dass das Kohlenstoff-Kontinuum, beziehungsweise die Verbindung zwischen ober- und unterirdischen Gemeinschaften, auch unter starkem Stress intakt bleibt. Zusammenfassend scheint es, dass Ökosysteme stark von einem funktionierenden Pflanze-Boden/Sediment-Mikroorganismen Kohlenstoff-Kontinuum abhängen und versuchen, es auch unter starkem Stress zu erhalten, was möglicherweise dazu beiträgt, dem Anstieg von extremen Dürreperioden aufgrund des Klimawandels besser zu widerstehen. / Climate change is threatening ecosystems around the world. Especially the increase in duration, intensity, and frequency of droughts can have a considerable impact on the global carbon cycle. The question whether plants and microbes are susceptible to environmental stress like drought has been assessed in many studies for different ecosystem types and by using numerous approaches, but research on drought effects that includes above- and belowground interactions is rather scarce. Therefore, the present study assesses the question of how drought and/or heat influence the interactions of plants and microbes, especially the carbon coupling, in order to determine the strength of plant-microbe carbon linkages when an ecosystem is pushed to its limits. The focus of this study thus lies on changes in aboveground-belowground carbon dynamics and the subsequent effects on the soil microbial community under drought and/or heat stress in two climate-threatened ecosystems. It was evaluated how extreme climate events, that are predicted to be more frequent in the near future, affect the carbon coupling between plants and microorganisms and how microbial communities respond under these circumstances, in order to be able to better predict ecosystem resistance and response mechanisms under future climate change. In chapter 4 a beech forest understory ecosystem was investigated. An extreme climate event (drought and/or heat) was imposed on beech forest monoliths and the strength of the plant-microbe carbon linkages and changes in the microbial community structure and activity were determined by using stable 13C isotope techniques and molecular-based approaches like 16S rRNA and microbial phospholipid-derived fatty acid (PLFA) analysis. In chapter 5 a small aquatic ecosystems was investigated. Two emergent aquatic macrophytes, Phragmites australis and Typha latifolia, were grown on kettle hole sediment and then exposed to a month-long summer drought in a mesocosm experiment. By conducting a 13CO2 pulse labeling as well as PLFA and non-structural carbohydrate analyses, the fate of carbon was traced from the plant leaves to the roots and into the sediment, where some of the recently assimilated carbon is incorporated into microbial PLFAs. Overall, this study showed that the two investigated ecosystems can endure environmental stress like heat and drought relatively well, at least in the short-term, and that the carbon continuum, or the linkage between above- and belowground communities, remained intact even under severe stress. In conclusion, it seems that ecosystems strongly depend on and try to maintain a functional plant-soil/sediment microorganism carbon continuum under drought, which might help to withstand the increase in extreme drought events under future climate change.

Biotests sind für die toxikologische Bewertung von Chemikalien, Pflanzenschutzmitteln und schadstoffbelasteten Gewässern oder Böden von besonderer Bedeutung, da sie Auskünfte über die biologische Wirksamkeit eines Stoffes auf Organismen geben. Bislang gibt es für die ökotoxikologische Bewertung, insbesondere von Chemikalien und Pflanzenschutzmitteln, für die autotrophe Organismenebene neben verschiedenen Biotests mit höheren Pflanzen den DIN 28 692 Biotest "Wachstumshemmtest mit den Süßwasseralgen Scenedesmus subspicatus und Selenastrum capricornutum", der auch als OECD 201 Biotest "Algal, Growth Inhibition Test" vorliegt. Dieser aquatische Biotest wird nur mit einer Süßwasseralgenart durchgeführt und trotzdem zunehmend für die Bewertung von belasteten Böden und Sedimenten eingesetzt. Untersuchungen über aquatische Biotests, die Bodenalgen als Testorganismen nutzen, oder Boden-Biotests mit Bodenalgen gibt es nur vereinzelt. Ein Biotestsystem, das sowohl aus einem aquatischen als auch aus einem terrestrischen Biotest besteht und mehrere Bodenalgenarten als Testorganismen nutzt, existiert bisher nicht. Dieses wurde in vorliegender Arbeit entwickelt und an dem Schwermetall Cadmium als Cadmiumchlorid und dem Herbizid Arelon, Wirkstoff Isoproturon erprobt. Um Bodenalgen, die keine Resistenzen oder Toleranzen gegenüber Schadstoffen aufweisen, als Testorganismen nutzen zu können, wurden aus unbelasteten Böden Algen isoliert, Klonkulturen erstellt und die Arten bestimmt. Dies führte zu einer Sammlung mit 35 Algenarten. Aus den in die Bodenalgensammlung aufgenommenen Arten wurden Xanthonema tribonematoides, Stichococcus bacillaris, Klebsormidium flaccidum, Xanthonema montanum und Chlamydomonas noctigama für das Testsystem ausgewählt. Zusätzlich zu diesen wurde die Süßwasseralge Scenedesmus subspicatus als Referenzalge ausgewählt. Mit diesen Algen wurde der Gel-Biotest, bestehend aus einem flüssigen gelartigen Medium, das die Kontaminationspfade im Wasser nachbildet, und ein Boden-Biotest mit einem naturnahen sorptionsschwachen Boden entwickelt, der die Kontaminationspfade über Gas-, Wasser- und Festphase im Boden nachbildet. Bei der Erprobung dieses Biotestsystems mit Cadmiumchlorid und Isoproturon zeigte sich, daß Bodenalgen gegenüber Cadmiumchlorid im Gel-Biotest eine geringe bis mittlere Sensibilität aufwiesen. Im Boden-Biotest lag eine sehr geringe Sensibilität vor, wie dies auch bei anderen Bodenorganismengruppen in Biotests festgestellt wurde. Dies kann mit der Sorption der Cadmiumionen im Boden erklärt werden und dem damit geringen für die Organismen bioverfügbaren Cadmiumionenanteil. Für Isoproturon lag sowohl im Gel- als auch im Boden-Biotest eine hohe Sensibilität der Bodenalgen vor. Erstaunlich war, daß die Sensibilität in beiden Biotests nahezu identisch war, obwohl Isoproturon in sorptionsschwachen Böden zu ca. 30 % adsorbiert wird. Im Vergleich zur Sensibilität von Scenedesmus subspicatus waren die Bodenalgen bei Cadmiumchlorid bis auf zwei Ausnahmen um den Faktor 5 bis 10 unsensibler. Die Bodenalge Klebsormidium flaccidum besaß eine vergleichbare Sensibilität und Xanthonema montanum war um den Faktor 20 unsensibler. Für Isoproturon konnten keine Unterschiede in der Sensibilität zwischen Scenedesmus subspicatus und den geprüften Bodenalgen ermittelt werden, außer bei Stichococcus bacillaris, die um den Faktor 5 unempfindlicher war. Das entwickelte miniaturisierte Biotestsystem eignet sich dazu, differenzierte Aussagen über das ökotoxische Potential von Stoffen auf Bodenalgen und der Süßwasseralge Scenedesmus subspicatus zu erhalten. Durch den Einsatz von zwei unterschiedlichen Testsubstraten (Flüssigmedium und naturnaher Boden) werden der Einfluß dieser Substrate sowie die daraus resultierenden Kontaminationspfade der Teststoffe und ihre ökotoxikologische Wirkung auf Algen feststellbar und vergleichbar. Ein Normenentwurf des Biotestsystems wurde inzwischen in das "Technical Committee 190 - Soil Quality" der International Standards Organization (ISO) eingereicht. / Biotests are an important device to assess the toxicity of chemicals, pesticides, polluted water, and soils because they can provide direct information about the influence of a compound on the organism level. Besides various biotests using higher plants there is only the DIN 28 692 biotest "Growth-inhibition test using fresh water algae Scenedesmus subspicatus and Selenastrum capricornutum" (DIN 28 692) also known as the OECD 201 biotest "Algal, Growth Inhibition Test" which is currently available for an ecotoxicological assessment of chemicals such as pesticides on the autotrophic organism level. This aquatic biotest is based on a single specie of fresh water algae and is increasingly applied to evaluate polluted soils and sediments. There is almost no information on aquatic biotests which are using soil algae as test organisms instead. A more comprehensive biotest system which actually combines aquatic and terrestric biotests using several soil algae species as test organisms has not been reported, yet. Thus, a biotest system was developed and subsequently evaluated by using cadmium (cadmium chloride) as a heavy metal, and the herbicide arelon containing isoproturon as the active ingredient. Soil algae were isolated from unpolluted soil in order to obtain test organisms which are not resistant or tolerant to pollutants. The algae isolates were then cultivated, and subsequently identified. A total of 35 algae species was collected. Algae species used in the biotest system were Xanthonema tribonematoides, Stichococcus bacillaris, Klebsormidium flaccidum, Xanthonema montanum, Chlamydomonas noctigama. In addition, the fresh water specie Scenedesmus subspicatus served as a reference algae. Based on these different algae species a gel biotest using liquid gel medium was developed to investigate the contamination path via water, and also a soil biotest with a pre-treated soil of low sorption capacity was deviced to simulate the contamination path through gas, water, and solid phase. The evaluation of the biotest system using cadmium chloride and isoproturon did reveal that soil algae have had only low to medium sensitivity to cadmium chloride in the gel biotest. Algae sensitivity in the soil biotest was very low which was in accordance with data from other biotests using different soil organisms. The weak response of the algae was most likely caused by the sorption of the cadmium ions to the soil matrix what may have decreased the bioavailability of cadmium. In comparison, soil algae were very sensitive to isoproturon in both, the gel biotest and the soil biotest. Both biotests indicated almost identical sensitivities of the tested soil algae which was surprising since 30 % of the isoproturon was sorbed even in soils with a low sorption capacity. Soil algae when compared to the water algae Scenedesmus subspicatus were generally 5 to 10-fold less sensitive to cadmium chloride. Only Klebsormidium flaccidum has proved to have a similar sensitivity as Scenedesmus subspicatus had, whereas Xanthonema montanum was about 20-fold less sensitive. With isoproturon, however, no differences in sensitivity could be seen between Scenedesmus subspicatus and the tested soil algae, except Stichococcus bacillaris which was about 5-fold less sensitive. The biotest system as developed in this study has shown to be suitable for obtaining valuable information about ecotoxicological effects of chemicals on soil and water algae. Since the biotest system consists of two different test media (liquid gel and soil) it is possible to determine ecotoxicological effects on algae in both, water and soil. A first draft of the developed biotest system has been submitted to the "Technical Committee 190 - Soil Quality" of the International Standards Organization (ISO) for review.