Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Rekonstruktion von Klima in historischen Zeiten im tropischen Ostafrika. Nach einer Übersicht über die heutigen klimatischen Bedingungen der Tropen und den Besonderheiten des ostafrikanischen Klimas, werden die Möglichkeiten der Klimarekonstruktion anhand von Seesedimenten diskutiert. Es zeigt sich, dass die hoch gelegenen Seen des Zentralen Keniarifts, als Teil des Ostafrikanischen Grabensystems, besonders geeignete Klimaarchive darstellen, da sie sensibel auf klimatische Veränderungen reagieren. Veränderungen der Seechemie, wie sie in den Sedimenten aufgezeichnet werden, eignen sich um die natürlichen Schwankungen in der Quartären Klimageschichte Ostafrikas nachzuzeichnen. Basierend auf der guten 40Ar/39Ar- und 14C-Datierbarkeit der Seesedimente wird eine Chronologie der paläoökologischen Bedingungen anhand von Diatomeenvergesellschaftungen restauriert. Dabei zeigen sich für die Seen Nakuru, Elmenteita und Naivasha kurzfristige Transgression/ Regressions-Zyklen im Intervall von ca. 11.000 Jahren während des letzten (ca. 12.000 bis 6.000 J.v.H.) und vorletzten Interglazials (ca. 140.000 bis 60.000 J.v.H.). Zusätzlich kann ein allgemeiner, langfristiger Trend der Seeentwicklung von großen Frischwasserseen hin zu stärker salinen Gewässern innerhalb der letzen 1 Mio. Jahre festgestellt werden. Mittels Transferfunktionen und einem hydro-klimatischen Modellansatz können die restaurierten limnologischen Bedingungen als klimatische Schwankungen des Einzugsgebietes interpretiert werden. Wenngleich auch der zusätzliche Einfluss von tektonischen Veränderungen auf das Seeeinzugsgebiet und das Gewicht veränderter Grundwasserströme abgewogen werden, zeigt sich, dass allein geringfügig erhöhte Niederschlagswerte von ca. 30±10 % zu dramatischen Seespiegelanstiegen im Zentralen Keniarift führen. Aufgrund der etablierten hydrrologisch-klimatischen Wechselwirkungen werden Rückschlüsse auf die natürliche Variabilität des ostafrikanischen Klimas gezogen. Zudem wird die Sensitivität der Keniarift-Seen in Bezug auf die Stärke der äquatorialen Insolation und hinsichtilch variabler Oberflächenwassertemperaturen des Indischen Ozeans bewertet. / In this work, an approach of paleoclimate reconstruction for tropical East Africa is presented. After giving a short summary of modern climate conditions in the tropics and the East African climate peculiarity, the potential of reconstructing climate from paleolake sediments is discussed. As demonstrated, the hydrologic sensitivity of high-elevated closed-basin lakes in the Central Kenya Rift yields valuable guaranties for the establishment of long-term climate records. Temporal fluctuations of the limnological characteristics saved in the lake sediments are used to define variations in the Quaternary climate history. Based on diatom analyses in radiocarbon- and 40Ar/39Ar-dated sediments, a chronology of paleoecologic fluctuations is developed for the Central Kenya Rift -lakes Nakuru, Elmenteita and Naivasha. At least during the penultimate interglacial (around 140 to 60 kyr BP) and during the last interglacial (around 12 to 4 kyr BP), these lakes experienced several transgression-regression cycles on time intervals of about 11,000 years. Additionally, a long-term trend of lake evolution is found suggesting the general succession from deep freshwater lakes towards more saline waters during the last million years. Using ecologic transfer functions and a simple lake-balance model, the observed paleohydrologic fluctuations are linked to potential precipitation-evaporation changes in the lake basins. Though also tectonic influences on the drainage pattern and the effect of varied seepage are investigated, it can be shown that already a small increase in precipitation of about 30±10 % may have affected the hydrologic budget of the intra-rift lakes within the reconstructed range. The findings of this study help to assess the natural climate variability of East Africa. They furthermore reflect the sensitivity of the Central Kenya Rift -lakes to fluctuations of large-scale climate parameters, such as solar radiation and sea-surface temperatures of the Indian Ocean.

Spatial and temporal temperature and moisture patterns across the Tibetan Plateau are very complex. The onset and magnitude of the Holocene climate optimum in the Asian monsoon realm, in particular, is a subject of considerable debate as this time period is often used as an analogue for recent global warming. In the light of contradictory inferences regarding past climate and environmental change on the Tibetan Plateau, I have attempted to explain mismatches in the timing and magnitude of change. Therefore, I analysed the temporal variation of fossil pollen and diatom spectra and the geochemical record from palaeo-ecological records covering different time scales (late Quaternary and the last 200 years) from two core regions in the NE and SE Tibetan Plateau. For interpretation purposes I combined my data with other available palaeo-ecological data to set up corresponding aquatic and terrestrial proxy data sets of two lake pairs and two sets of sites. I focused on the direct comparison of proxies representing lacustrine response to climate signals (e.g., diatoms, ostracods, geochemical record) and proxies representing changes in the terrestrial environment (i.e., terrestrial pollen), in order to asses whether the lake and its catchments respond at similar times and magnitudes to environmental changes. Therefore, I introduced the established numerical technique procrustes rotation as a new approach in palaeoecology to quantitatively compare raw data of any two sedimentary records of interest in order to assess their degree of concordance. Focusing on the late Quaternary, sediment cores from two lakes (Kuhai Lake 35.3°N; 99.2°E; 4150 m asl; and Koucha Lake 34.0°N; 97.2°E; 4540 m asl) on the semi-arid northeastern Tibetan Plateau were analysed to identify post-glacial vegetation and environmental changes, and to investigate the responses of lake ecosystems to such changes. Based on the pollen record, five major vegetation and climate changes could be identified: (1) A shift from alpine desert to alpine steppe indicates a change from cold, dry conditions to warmer and more moist conditions at 14.8 cal. ka BP, (2) alpine steppe with tundra elements points to conditions of higher effective moisture and a stepwise warming climate at 13.6 cal. ka BP, (3) the appearance of high-alpine meadow vegetation indicates a further change towards increased moisture, but with colder temperatures, at 7.0 cal. ka BP, (4) the reoccurrence of alpine steppe with desert elements suggests a return to a significantly colder and drier phase at 6.3 cal. ka BP, and (5) the establishment of alpine steppe-meadow vegetation indicates a change back to relatively moist conditions at 2.2 cal. ka BP. To place the reconstructed climate inferences from the NE Tibetan Plateau into the context of Holocene moisture evolution across the Tibetan Plateau, I applied a five-scale moisture index and average link clustering to all available continuous pollen and non-pollen palaeoclimate records from the Tibetan Plateau, in an attempt to detect coherent regional and temporal patterns of moisture evolution on the Plateau. However, no common temporal or spatial pattern of moisture evolution during the Holocene could be detected, which can be assigned to the complex responses of different proxies to environmental changes in an already very heterogeneous mountain landscape, where minor differences in elevation can result in marked variations in microenvironments. Focusing on the past 200 years, I analysed the sedimentary records (LC6 Lake 29.5°N, 94.3°E, 4132 m asl; and Wuxu Lake 29.9°N, 101.1°E, 3705 m asl) from the southeastern Tibetan Plateau. I found that despite presumed significant temperature increases over that period, pollen and diatom records from the SE Tibetan Plateau reveal only very subtle changes throughout their profiles. The compositional species turnover investigated over the last 200 years appears relatively low in comparison to the species reorganisations during the Holocene. The results indicate that climatically induced ecological thresholds are not yet crossed, but that human activity has an increasing influence, particularly on the terrestrial ecosystem. Forest clearances and reforestation have not caused forest decline in our study area, but a conversion of natural forests to semi-natural secondary forests. The results from the numerical proxy comparison of the two sets of two pairs of Tibetan lakes indicate that the use of different proxies and the work with palaeo-ecological records from different lake types can cause deviant stories of inferred change. Irrespective of the timescale (Holocene or last 200 years) or region (SE or NE Tibetan Plateau) analysed, the agreement in terms of the direction, timing, and magnitude of change between the corresponding terrestrial data sets is generally better than the match between the corresponding lacustrine data sets, suggesting that lacustrine proxies may partly be influenced by in-lake or local catchment processes whereas the terrestrial proxy reflects a more regional climatic signal. The current disaccord on coherent temporal and spatial climate patterns on the Tibetan Plateau can partly be ascribed to the complexity of proxy response and lake systems on the Tibetan Plateau. Therefore, a multi-proxy, multi-site approach is important in order to gain a reliable climate interpretation for the complex mountain landscape of the Tibetan Plateau. / Die räumlichen und zeitlichen Temperatur- und Feuchtigkeitsmuster auf dem Tibet-Plateau sind sehr komplex. Im Einzugsbereich der asiatischen Monsune sind insbesondere der Beginn und das Ausmaß des Klimaoptimums während des Holozäns von wissenschaftlichem Interesse, da diese Periode oft als Analogie für die derzeitige globale Klimaerwärmung herangezogen wird. In Hinblick auf sich teilweise widersprechende Paläoklima- und Umweltrekonstruktionen für das Tibet-Plateau, ist es mein Ziel, die bestehenden Unstimmigkeiten bezüglich des Zeitpunktes und des Ausmaßes des Umweltwandels zu erklären. Dafür wurden von mir zeitliche Variationen fossiler Pollen- und Diatomeenspektren und geochemische Untersuchungen an Seesedimenten unterschiedlicher Zeitskalen (Spätquartär und die letzten 200 Jahre) aus zwei Kernregionen auf dem NO und SO Tibet-Plateau analysiert. Zur Unterstützung der Interpretation wurden die hier erhobenen Daten mit bereits vorhandenen paläoökologischen Aufzeichnungen der Lokalitäten kombiniert, um Datensätze der entsprechenden aquatischen und terrestrischen Proxy-Daten (Stellvertreterdaten) zweier Seenpaare aus den beiden Regionen gegenüberstellen zu können. Hierbei konzentrierte ich mich auf den direkten Vergleich von Proxies, die die Seenentwicklung reflektieren (z.B. Diatomeen, Ostracoden, geochemische Eigenschaften), mit Proxies, die Veränderungen der terrestrischen Umgebung des Sees beschreiben (terrestrische Pollen). Durch diesen Vergleich lässt sich beurteilen, ob Veränderungen im See selbst mit Umweltveränderungen in dem jeweiligen Einzugsgebiet zeitlich übereinstimmen. Dafür habe ich die bereits etablierte numerische Methode Procrustes-Rotation als neuen Ansatz in der Paläoökologie eingeführt. Damit ist ein quantitativer Vergleich von Rohdaten zweier beliebiger sedimentärer Datensätze möglich, um den Grad der Übereinstimmung zu prüfen. Um die in dieser Arbeit rekonstruierten Umwelt- und Klimaereignisse des nordöstlichen Tibet-Plateaus in einen größeren Zusammenhang hinsichtlich holozäner Klimaentwicklung des gesamten Plateaus setzen zu können, und um schlüssige zeitliche und räumliche Klimatrends auf dem Plateau erkennen zu können, habe ich auf alle vorhandenen Paläoklimadatensätze einen Fünf-Skalen Feuchtigkeitsindex und eine Clusteranalyse angewandt. Es konnten jedoch keine einheitlichen zeitlichen und räumlichen Trends der holozänen Klimaentwicklung nachgewiesen werden, was meiner Analyse entsprechend, auf die komplexen Reaktionen verschiedener Proxies auf Umweltveränderungen in einer ohnehin sehr heterogen Berglandschaft, zurückgeführt werden kann. Die Ergebnisse des numerischen Proxy-Vergleichs beider Seenpaare zeigen, dass die Verwendung von verschiedenen Proxies und die Arbeit mit paläo-ökologischen Datensätzen unterschiedlicher See-Typen zu abweichenden Klimaableitungen führen können. Unabhängig vom untersuchten Zeitraum (Holozän oder die letzten 200 Jahren) oder der Region (SO oder NO Tibet-Plateau), ist die Übereinstimmung zweier Datensätze hinsichtlich der Richtung, des Zeitpunktes und des Ausmaßes der abgeleiteten Paläo-Umweltverhältnisse in der Regel zwischen den entsprechenden terrestrischen Datensätzen besser als zwischen den entsprechenden lakustrinen Datensätzen. Die derzeitige Uneinigkeit über stimmige zeitliche und räumliche Klimatrends auf dem Tibet-Plateau kann daher teilweise der Komplexität der verschieden Proxies und ihrer individuellen Empfindlichkeiten gegenüber Umweltveränderungen sowie der unterschiedlichen Reaktionsweise verschiedenartiger See-Systeme auf dem Plateau zugeschrieben werden. Meine Ergebnisse zeigen, dass ein „Multi-Proxy-Multi-Site-Ansatz“ für zuverlässige Paläoklimaableitungen für das Tibet-Plateau von zentraler Bedeutung ist.

Die Schwingungsspektroskopie, besonders die Raman-Spektroskopie, stellt ein wichtiges Werkzeug für Untersuchungen von Biomineralien dar. Raman-Spektroskopie wurde zur Untersuchung der organischen und anorganischen Bestandteile von Schwammskeletten eingesetzt. Die Raman-Spektroskopie trug auch zur Charakterisierung von biomimetischen Silikat-Präzipitaten bei. Durch ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie konnte erstmalig die Verteilung von organischem Material in den extrahierten Silikatzellwänden von Kieselalgen nachgewiesen werden. Die ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung des SERS-Effekts an Zellwänden von Kieselalgen an die Silber-Nanopartikel gekoppelt waren eingesetzt.

Die Schwingungsspektroskopie, besonders die Raman-Spektroskopie, stellt ein wichtiges Werkzeug für Untersuchungen von Biomineralien dar. Raman-Spektroskopie wurde zur Untersuchung der organischen und anorganischen Bestandteile von Schwammskeletten eingesetzt. Die Raman-Spektroskopie trug auch zur Charakterisierung von biomimetischen Silikat-Präzipitaten bei. Durch ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie konnte erstmalig die Verteilung von organischem Material in den extrahierten Silikatzellwänden von Kieselalgen nachgewiesen werden. Die ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung des SERS-Effekts an Zellwänden von Kieselalgen an die Silber-Nanopartikel gekoppelt waren eingesetzt.

Since the 18th-century scientists are studying diatoms, fascinated by their beauty and diversity. Their nano- and micropatterned biosilica cell walls are outstanding examples of biologically controlled mineral formation. Although the knowledge about diatom cell wall formation increased over the last 60 years, the process is still far away from being completely understood. Diatom cell walls exhibit highly interesting material properties, making them appealing to material scientists. Due to those properties, diatom cell walls are on the brink of becoming powerful tools in nanotechnology. However, the production of tailored silica structures for nanotechnology requires a much better understanding of the processes and components involved in cell wall morphogenesis. Recent studies set the focus on insoluble organic matrices as important parts of this process, suggesting that they act as templates in silica morphogenesis. Therefore, in this study, the occurrence of insoluble organic matrices and their possible silica precipitation activity was analyzed in the three diatom species T. pseudonana, T. oceanica and C. cryptica. For all three species girdle band and valve derived insoluble organic matrices could be identified. The extracted insoluble organic matrices exhibited structural features present in the corresponding biosilica cell walls. The highest similarities were found in the valve derived matrices of C. cryptica. Accessibility studies showed that the biosilica associated insoluble organic matrices of T. pseudonana were only partially accessible, arguing for an entrapment of insoluble organic matrices in the silica, rather than an attachment to the surface of the cell wall. All examined insoluble organic matrices of the three species exhibited intrinsic silica precipitation activity. The most intriguing structures were formed by the insoluble organic matrices of C. cryptica, yielding a porous silica pattern. The addition of biosilica derived soluble components or long-chain polyamines promoted this process and moreover lead to the reconstitution of biosilica-like hierarchical silica pore patterns. The generated silica structures were templated by the underlying structure of the insoluble organic matrix. The result presented in this thesis make this the first study reporting the in vitro generation of diatom biosilica-like hierarchical silica pore patterns using all natural cell wall components. It supports the hypothesis of microplates acting as templates for biosilica morphogenesis and introduces an interesting experimental setup for silica-based in vitro studies on the mechanism of pore formation in diatoms.

A good ecological status of streams and rivers is crucial for maintaining ecological functionality of running waters. Worldwide eutrophication threatens to change structure and function of freshwater ecosystems (Dodds et al., 2008). To reduce the symptoms of eutrophication in streams and rivers an additional approach, besides the reduction of external nutrient inputs from catchment areas, is needed. Therefore the goal has been set to transfer the approach of biomanipulation, which is widely accepted as tool in water quality management in lakes and reservoirs, to streams. The objective of this study was accordingly to analyse and evaluate some crucial preconditions for top-down control of stream food webs. For that purpose the present thesis examined effects of fish predation (stone loach and gudgeon) on grazer-periphyton interaction in small streams by assessing predator avoidance by benthic grazers, effects of benthic grazers on periphyton community composition during fish presence/absence and the possibility of top-down control on algal biomass by benthivorous fish.

A good ecological status of streams and rivers is crucial for maintaining ecological functionality of running waters. Worldwide eutrophication threatens to change structure and function of freshwater ecosystems (Dodds et al., 2008). To reduce the symptoms of eutrophication in streams and rivers an additional approach, besides the reduction of external nutrient inputs from catchment areas, is needed. Therefore the goal has been set to transfer the approach of biomanipulation, which is widely accepted as tool in water quality management in lakes and reservoirs, to streams. The objective of this study was accordingly to analyse and evaluate some crucial preconditions for top-down control of stream food webs. For that purpose the present thesis examined effects of fish predation (stone loach and gudgeon) on grazer-periphyton interaction in small streams by assessing predator avoidance by benthic grazers, effects of benthic grazers on periphyton community composition during fish presence/absence and the possibility of top-down control on algal biomass by benthivorous fish.

Phytoplanktonarten unterscheiden sich in ihren Ansprüchen hinsichtlich Ressourcen wie Nährstoffe, Licht und andere physikalische Faktoren. Wechselwirkungen zwischen Nährstoffen und physikalischen Faktoren beeinflussen daher die Artenzusammensetzung einer Phytoplanktongemeinschaft. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Temperatur und Photoperiode auf das Phytoplanktonwachstum in Abhängigkeit vom Lichtregime und dem Angebot an Phosphor (P) und Silizium (Si) untersucht. Hierfür wurden Wachstums- und Konkurrenzexperimente unter Laborverhältnissen mit Stephanodiscus minutulus, Nitzschia acicularis (beides Bacillariophyceae) und Limnothrix redekei (Cyanophyceae) durchgeführt, ein Modell der Faktorinteraktionen entwickelt sowie ökologische Langzeitdaten des Müggelsees (Berlin) statistisch ausgewertet. Die Effekte von Temperatur und Photoperiode auf die Wachstumsraten unterschieden sich nicht zwischen konstantem und fluktuierendem Licht. Die Auswirkungen der Photoperiode und der Lichtfluktuationen auf die Wachstumsraten waren hierbei additiv. Der Grad der Limitation der Wachstumsraten durch P oder Si wurde durch die Photoperiode nicht signifikant beeinflusst. Wechselwirkungen zwischen Temperatur und P oder Si waren hingegen komplex und artspezifisch. Unabhängig davon, ob die Wachstumsraten durch P, Si oder fluktuierendes Licht gesteuert wurden, war S. minutulus konkurrenzstärker bei niedrigeren Temperaturen und N. acicularis bei höheren Temperaturen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Faktorinteraktionstypen artspezifisch sind, die Adaptation der Arten widerspiegeln und so zur Nischen-Differenzierung beitragen. Kenntnisse dieser Wechselwirkungen fördern deshalb unser Verständnis der Phytoplanktondiversität und ermöglichen es, Reaktionen des Phytoplanktons auf Klimaerwärmung und Trophieveränderung, die mit einer Verschiebung der Verhältnisse zwischen Nährstoffen, Temperatur und Licht einhergehen, besser vorherzusagen. / Phytoplankton species have different resource requirements and different sensitivities to important growth factors. Interactions between nutrients and physical factors, such as temperature and light should therefore influence the species composition. Because these interactions are poorly understood, this study investigated the interactive effects of temperature and photoperiod on phytoplankton growth controlled by fluctuating light, phosphorus (P) and silicon (Si). Growth and competition experiments were performed in the laboratory on Stephanodiscus minutulus, Nitzschia acicularis (both Bacillariophyceae) and Limnothrix redekei (Cyanophyceae). A model of factor interactions was developed and long-term field data from Lake Müggelsee (Berlin) were statistically analysed. Temperature and photoperiod had the same influence on growth under fluctuating light as they did under constant light. The photoperiod and short term light fluctuations caused by mixing had additive effects on growth. P and Si interacted strongly with temperature with respect to growth, but less with the photoperiod. The Droop relation fitted to S. minutulus but not N. acicularis. The Monod equation could not sufficiently account for non-steady dynamics of diatom growth under Si limitation, underestimating uptake rates and overestimating uptake affinity. Estimates based on the Monod model may therefore considerably underestimate the degree of Si limitation. The types of factor interactions were generally species-specific, reflected niche adaptation and enhanced niche differentiation. Interactions between nutrients and physical factors are relevant to growth during spring and contribute to the phytoplankton composition. Understanding the interactions should improve our knowledge of phytoplankton diversity and increase our ability to predict phytoplankton response to climate and trophic change, which shift the relationship between nutrients, temperature and light.

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