Stemflow creates biogeochemical hotspots at tree bases. Few studies examine bark structure effects on stemflow generation via stable isotopes. Stemflow volume and isotopic composition (δD, δ18O) were measured over 15 months to address three main objectives: to determine origins and pathways of stemflow, to identify differences in stemflow generation mechanisms between tree species, and to identify differences in stemflow generation mechanisms between meteorological events. Laser ablation spectroscopy showed that, compared to throughfall and precipitation, stemflow was isotopically enriched, signifying isotopic fractionation. A bark-wetting experiment showed bark water storage capacity to be greatest in species with thick, continuous bark. Isotopic composition of precipitation was significantly more enriched in convective storms compared to that of continental or oceanic origin. Therefore, isotopic fractionation of stemflow and stemflow generation mechanisms vary from that of throughfall and precipitation, by interspecific differences in bark, and by meteorological event, potentially influencing existing canopy water storage models.

Biota des Kohlenstoffkreislaufs spielen bei der Speicherung und Verteilung des Kohlen-stoffs im Bodennahrungsnetz eine herausragende Rolle. Wobei der Abbau organischer Bodensubstanz stark von deren Verfügbarkeit für Mikroorganismen und Enzyme abhängt. Rhizosphäre und Detritusphäre verfügen über außerordentlich große Mengen an organischem Kohlenstoff. Dies macht diese Biosphären zu Hot-Spots mikrobieller Aktivität. Während der letzten Jahrzehnte stieg das Interesse an der Forschung zu mikrobieller Aktivität im Boden. Dennoch herrscht noch immer kein umfassendes Verständinis von Indikatoren und Triebkräften mikrobieller Aktivität in der Rhizosphäre und Detritusphäre. Dies ist nicht zuletzt der Tatsache geschuldet, dass es mehr als einer einzigen Methode zur Bestimmung dieser Faktoren bedarf. Aus diesem Grund setzt sich diese Arbeit zum Ziel, die mikrobielle Aktivität, ihre Indikatoren und Treiber zu explorieren. Folglich wurden diverse Indikatoren mikrobieller Aktivität, wie mikrobielle Respiration, mikrobielle Biomasse und Enzymkinetik, an Proben aus einem Feldexperiment mit diffe-rierendem Substrat-Eintrag (Mais-Rhizodeposite vs. Mais-Streu) ermittelt. Tiefengradienten der Indikatoren mikrobieller Aktivität dienten der Beurteilung der Auswirkungen sinkender Substratqualität und -quantität in Rhizo- und Detritusphäre mit zunehmender Bodentiefe. Besonderer Fokus lag dabei auf den Indizes unterschiedlicher Enzyme und deren Aktivität (z. B. spezifische Aktivität, katalytische Effizienz und Verhältnisse zwischen Enzymen des Kohlenstoff- und Stickstoff-Kreislaufs) im Tiefenprofil des Bodens. Neben dieser Feldstudie wurde das Verhältinis von RNA zu dsDNA als Indikator mikrobieller Aktivität entlang eines klimatischen Grandienten ermittelt, um den metabolischen Status innerhalb unterschiedlicher Bodentypen zu bestimmen. Die Feldstudien wurden um Experimente in Labor und Gewächshaus ergänzt, in denen mittels Isoto-penmarkierungsverfahren die Effekte von Wurzelhaaren und Protisten auf die mikrobielle Aktivität beleuchtet wurden. Diese Methode ermöglichte ein Nachvollziehen des C- und N-Flusses und trug damit zum Verständnis der Verflechtungen der Organismen im terrestrischen Boden-Nahrungsnetz bei. Die räumliche Verteilung der Enzymaktivität in der Rhizosphäre wurde anhand der Boden-Zymographie in situ untersucht. Durch unterschiedliche Substratverfügbarkeit wurde ein Wandel der funktionellen Eigenschaften der Mikroorganismengemeinschaften und des enzymatischen Systems induziert. Speziell der durchwurzelte Oberbodenhorizont zeigte einen Anstieg der mikro-biellen Aktivität im Vergleich zum Boden mit Streueintrag und der Kontrolle. Rhizodeposite sind eine grundlegende Kohlenstoff- und Energiequelle für Bodenmikroorganismen und stimulieren deren Wachstum und Aktivität. Die Präsenz von Rhizodepositen in Hot-Spots macht diese zu bevorzugten Habitaten für Mikroorganismen. Die Mehrzahl der Indikatoren für mikrobielle Aktivität wurde ausschließlich im Oberboden durch den Substrateintrag beeinflusst. Darunter auch die katalytische Effizienz, die – ungeachtet des Substrateintrags – von Oberboden (< 40 cm) zu Unterboden (> 40 cm) um das 2- bis 20-fache abnahm. Dies ließ auf die Relevanz der mit der Tiefe abnehmenden Menge und Qualität der Substrate im Boden als einflussnehmenden Faktor auf die mikrobielle Aktivität schließen. Das Verhältnis von RNA zu dsDNA spiegelte den metabolischen Status der mikrobiellen Organismengesellschaften in den meisten der beprobten Böden wider. Wohingegen das RNA:dsDNA Verhältnis dieser Indikatoreigenschaft widersprach, lagen erhöhte Tongehalte vor, die nach der Extraktion zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der RNA-Quantität führten. Protozoen wird beim Vorgang des Kohlenstoffflusses von Bakterien zu Organismen höherer Trophieebenen eine bedeutende Rolle zugesprochen, was ebenfalls ihren Einfluss auf die mikrobielle Aktivität im Boden unterstreicht. Um diesen Effekten, im Speziellen jenen der Acanthoamoebe auf den Kohlenstoff- und Stickstofffluss, sowie die Indikatoren mikrobieller Aktivität in der Rhizo- und Detritusphäre nachzugehen, wurde ein dreifaches Isotopenmarkierungs-Experiment durchgeführt. Es ergab, dass Kohlenstoffflüsse und Enzymaktivitäten sowohl von Substrateintrag als auch Substratqualität in Rhizo- wie Detritusphäre sowie deren faunistischer Besiedlung abhängen. Daraus erschloss sich, dass die Besiedlung mit Acanthamoeben als potenzielle Triebkraft mikrobieller Aktivität, besonders innerhalb der Rhizosphäre, gedeutet werden kann. Um den Einfluss von Wurzelhaaren auf die mikrobielle Aktivität und den Priming Effekt in der Rhizosphäre einzuschätzen, wurde ein Experiment im Gewächshaus mit kontinuierlicher Markierung von Boden mit Pflanzenbewuchs und einer Kontrolle ohne Bewuchs mit 13C-Isotopen durchgeführt. Wurzelhaare zeigten sich darin als Initiatoren eines positiven Rhizosphären-Priming Effektes während der Wachstumsphase, wohingegen der Abbau organischer Bodensubstanz in den Kontrollen gehemmt war. Im Falle der positiven Initialwirkung der Wurzelhaare stiegen zudem die Enzymaktivitäten von Chitinase und ß-Xylosidase an, was auf eine Zersetzung stabiler, organischer Bodensubstanz hinwies. Damit konnte ein deutlicher Effekt von Wurzelhaaren auf die mikrobielle Aktivität im Boden während der Phase des Pflanzenwachtums nachgewiesen werden. Somit vermittelt diese Arbeit ein weiterführendes Verständnis der auf mikrobielle Aktivität im Boden einwirkenden Faktoren und stellt eine Auswahl von Indikatoren zur Charakterisierung dieser Aktivität vor, die sowohl auf der Landschaftsebene als auch in der prozessorientierten Forschung im Wurzelraum Anwendung finden kann.

Measuring the metabolite profile of plants can be a strong phenotyping tool, but the changes of metabolite pool sizes are often difficult to interpret, not least because metabolite pool sizes may stay constant while carbon flows are altered and vice versa. Hence, measuring the carbon allocation of metabolites enables a better understanding of the metabolic phenotype. The main challenge of such measurements is the in vivo integration of a stable or radioactive label into a plant without perturbation of the system. To follow the carbon flow of a precursor metabolite, a method is developed in this work that is based on metabolite profiling of primary metabolites measured with a mass spectrometer preceded by a gas chromatograph (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. submitted). This method generates stable isotope profiling data, besides conventional metabolite profiling data. In order to allow the feeding of a 13C sucrose solution into the plant, a petiole and a hypocotyl feeding assay are developed. To enable the processing of large numbers of single leaf samples, their preparation and extraction are simplified and optimised. The metabolite profiles of primary metabolites are measured, and a simple relative calculation is done to gain information on carbon allocation from 13C sucrose. This method is tested examining single leaves of one rosette in different developmental stages, both metabolically and regarding carbon allocation from 13C sucrose. It is revealed that some metabolite pool sizes and 13C pools are tightly associated to relative leaf growth, i.e. to the developmental stage of the leaf. Fumaric acid turns out to be the most interesting candidate for further studies because pool size and 13C pool diverge considerably. In addition, the analyses are also performed on plants grown in the cold, and the initial results show a different metabolite pool size pattern across single leaves of one Arabidopsis rosette, compared to the plants grown under normal temperatures. Lastly, in situ expression of REIL genes in the cold is examined using promotor-GUS plants. Initial results suggest that single leaf metabolite profiles of reil2 differ from those of the WT. / Messungen des pflanzlichen Metaboloms können ein hilfreiches Werkzeug sein, um Pflanzen zu phänotypisieren. Jedoch sind die Änderungen der Poolgrößen teilweise schwer zu interpretieren, weil sich nicht nur die Poolgrößen sondern auch die Kohlenstoffflüsse unabhängig voneinander ändern können. Werden nun zusätzlich Informationen über die Flüsse ermittelt, kann der pflanzliche Phänotyp deutlich genauer beschrieben werden. Die größte Herausforderung für diese Messungen ist die In-vivo-Integration einer stabilen oder radioaktiven Markierung in einer Pflanze, ohne das System dabei zu stören. In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, um die Verteilung von Kohlenstoffen aus einer gefütterten Vorstufe zu messen. Die Messung basiert dabei auf einem Primärmetabolitenprofil, das mit Hilfe eines Massenspektrometers mit vorgeschaltetem Gaschromatographen erstellt wird (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. eingereicht). Mit dieser Methode ist es einfach möglich, stabile Isotopenprofildaten neben herkömmlichen Metabolitprofildaten zu erzeugen. Die Vorstufe, in diesem Fall 13C Saccharose, wird dazu mit Hilfe eines neuen Petiolen- und Hypokotyl-Fütterungs-Assay in die Pflanze gefüttert. Um die große Menge an Einzelblattproben aufzuarbeiten, die dabei anfallen, wird eine vereinfachte und optimierte Extraktion angewendet. Mit Hilfe einer einfachen Berechnung kann aus den Messdaten eine relative Verteilung des Kohlenstoffs aus 13C Saccharose bestimmt werden. Die Funktionalität dieses Verfahrens wird an Einzelblättern von Arabidopsis-Rosetten gezeigt, wobei sowohl Primärmetabolitenprofile als auch stabile Isotopenprofile erzeugt und untersucht werden. Es kann hierbei gezeigt werden, dass konventionelle Poolgrößen und 13C Poolgrößen einiger Metaboliten eng mit dem relativen Wachstum einzelner Blattpositionen bzw. mit dem jeweiligen Entwicklungsstadium der Blätter zusammenhängen. Anders als bei den meisten anderen Metaboliten zeigen die konventionellen Poolgrößen und 13C Poolgrößen von Fumarsäure ein unterschiedliches Verhalten in den einzelnen Blättern, was Fumarsäure zum interessantesten Kandidaten für weitere Studien macht. Die beschriebenen Untersuchungen werden weiterhin an in Kälte gewachsenen Pflanzen durchgeführt, wobei erste Ergebnisse ein verändertes Metabolitenprofil in den einzelnen Blättern zeigen. Des Weiteren wird die In-situ-Expression von REIL-Genen mit Hilfe von Promotor-GUS-Reportern untersucht. Erste Ergebnisse von Einzelblatt-Metabolitenprofilen der reil2 zeigen einen deutlichen Unterschied zum WT.

The following thesis demonstrates two isotope tracing experiments that measure oxygen transport through electrochemically polarized solid oxides. Cathode-symmetric ‘button’ cells with yttria stabilized zirconia(YSZ) electrolytes and either strontium doped lanthanum manganate(LSM) or composite LSM/YSZ cathodes were studied. The first experiment measured the residence time distributions(RTD) of 34O2. The measured RTDs were compared at different temperatures(700-800°C) and applied potentials(-2 to -8V). Comparisons with simulated RTDs revealed that oxygen transport was laterally heterogeneous. Delamination of the counter electrode is likely the source of the heterogeneity. The second experiment measured a wave of 18O by exposing an interior cross section and applying ToF-SIMS analysis. A depth profile was produced that spans the cathode and electrolyte interface. The depth profile was compared with a variety of limiting oxygen activation scenarios predicted by a simple 1-D model. Comparisons demonstrated that oxygen activation is likely not restricted to the cathode and electrolyte interface.

The following thesis demonstrates two isotope tracing experiments that measure oxygen transport through electrochemically polarized solid oxides. Cathode-symmetric ‘button’ cells with yttria stabilized zirconia(YSZ) electrolytes and either strontium doped lanthanum manganate(LSM) or composite LSM/YSZ cathodes were studied. The first experiment measured the residence time distributions(RTD) of 34O2. The measured RTDs were compared at different temperatures(700-800°C) and applied potentials(-2 to -8V). Comparisons with simulated RTDs revealed that oxygen transport was laterally heterogeneous. Delamination of the counter electrode is likely the source of the heterogeneity. The second experiment measured a wave of 18O by exposing an interior cross section and applying ToF-SIMS analysis. A depth profile was produced that spans the cathode and electrolyte interface. The depth profile was compared with a variety of limiting oxygen activation scenarios predicted by a simple 1-D model. Comparisons demonstrated that oxygen activation is likely not restricted to the cathode and electrolyte interface.

Des études ont démontré que du chlore organique est retenu dans les sols et serait formé par un processus de chloruration issu de l’activité microbienne des sols. Le but de cette étude est d’estimer les formes organiques de chlore dans des sols contrastés et de mettre en évidence l’évolution de ces formes de chlore selon certains paramètres environnementaux ou modalités d’incubations en fonction de l’activité des microorganismes. Les horizons organo-minéraux de sols contrastés ont été étudiés (i) in situ : Les quantités de chlore et les paramètres physico-chimiques et microbiologiques de sols ont été mesuré ; (ii) dans deux dispositifs d’incubations sous différentes modalités. Les mesures des teneurs en chlore entre le début et la fin de la première expérience ont été mesurées par analyseur d’AOX. Pour la deuxième expérience, les sols ont été enrichis en Na37Cl et les teneurs en 37Cl ont été mesurées par ICP MS HR. Des mesures par spectrométrie Xanes ont été réalisées pour préciser la spéciation du chlore des sols. Les teneurs en chlore organique non extractibles représentent presque la totalité du chlore. Les paramètres qui influencent la répartition des teneurs en chlore correspondent au couvert végétal, au pH, à la teneur en carbone organique et aux quantités de microorganismes. Les teneurs en chlore mesurées par analyseur d’AOX et par ICP MS HR ont permis de mettre en évidence une formation de chlore organique en relation avec les paramètres microbiologiques. Les mesures par ICP MS HR ont montré une formation de chlore organique en conditions abiotiques. Les analyses par spectrométrie XANES n’ont pas permis de mettre en évidence une formation de chlore organique / Recent studies have shown that organic chlorine is retained in the soil and is formed by a chlorination process mainly from the microbial activity of the soi still poorly documented. The aim of this study is to estimate the organic and inorganic forms of chlorine in contrasting soil and highlight the evolution of these forms according to certain environmental parameters or terms of incubations and to the activity of microorganisms. For this, the organo-mineral horizons of contrasting soil were studied (i) in situ: The amounts of chlorine and physico-chemical and microbiological parameters of soil were measured; (ii) in two experimental devices incubations under different conditions. Measurements of chlorine levels between the beginning and the end of the first experiment were measured by AOX analyzer. For the second experiment, the soil was previously enriched with Na37Cl and 37Cl levels were measured by HR ICP MS. Soil samples from these incubations were analyzed by Xanes spectrometry to identify the speciation of chlorine forms in soils. Soil non-extractable organic chlorine contents represent almost all of the chlorine. The parameters that influence the distribution of chlorine contents in soils correspond to vegetation cover, pH, organic carbon content and quantities of microorganisms. The chlorine contents measured by AOX analyzer and by HR ICP MS highlight an organic chlorine formation over time in relation to the microorganims in the soil. The measures carried out by HR ICP MS show also an organic chlorine formation in abiotic conditions. Conversely, XANES spectrometry measurements have show any organic chlorine formation

High nitrogen discharge from mining sites has been an environmental issue that has been closely studied in the recent years. The environmental effects of high nitrogen discharge are mainly eutrophication, but can also lead to changed species composition and algae blooms. Nitrogen is a highly abundant element and is the most abundant element in the atmosphere, where 78% by volume is present as dinitrogen (N2 ). Nitrogen is present in reduced form in all organic life as ammonium (NH4 + ). Nitrogen is also present in reduced form as nitrate (NO3 - ) or nitrite (NO2 - ) in most aquatic systems.  Both nitrate and ammonium is contributing to eutrophication problems worldwide and ammonia (NH3 ) is direct toxic in high concentration to certain sensitive aquatic species. Nitrate in high concentration is also direct toxic, both to humans but also to aquatic biota.  To trace and quantify different nitrogen transforming processes, their sources and their sinks is called tracing nitrogen cycling and is important due to the environmental effect of nitrogen. Nitrogen is available in many different species and oxidation states which all have their respective geochemistry. This thesis focuses on tracing the complex nitrogen cycle in two different cold climate mining systems in northern Sweden using two different methods. The two studied systems are: The LKAB underground iron ore mine in Kiruna Boliden Minerals AB open pit copper ore mine Aitik outside Gällivare  Two different approaches were used to trace the nitrogen cycling. The LKAB Kiruna mine was investigated using stable nitrogen isotopes. The isotope analysis showed high capability to trace nitrogen cycling, both quantative and qualitative. We also showed the origin of the isotope signals which gives indication to the different sources of nitrogen in the mine. The presented study shows presence of nitrification, ammonium volatilization and ammonium adsorption to waste rock to occur in the water transport system.  The nitrogen cycling in the Boliden Aitik mine was investigated using a nitrogen model which we developed as part of this thesis. The model is based on Yakushevs Redox Layer model (ROLM). The model contains the state variables ammonium, nitrate, nitrite, plankton, phosphate, dead organic material (both particulate and dissolved) as well as oxygen. The nitrogen concentrations in the Boliden Aitik mine was modeled for the clarification pond and showed, in general, low biological activity. The biological mediated reactions such as nitrification, denitrification, phytoplankton growth and grazing were low in relation to natural lake systems

La synthèse Fischer-Tropsch (FT) permet de convertir un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone (gaz de synthèse) sélectivement en hydrocarbures avec une distribution large de longueur de chaine. Le gaz de synthèse peut être produit à partir de différentes ressources comme le gaz naturel, le charbon et la biomasse. A la lumière de la volonté de diversifier les sources d'énergies, la synthèse FT peut apporter une contribution cruciale pour la production de carburants liquides. Les catalyseurs à base de Cobalt supportés sur alumine sont utilisés pour produire des cires lourdes. L'activité et la sélectivité dépendent des propriétés structurales et texturales du catalyseur. Cette étude a pour but d'établir un lien entre les propriétés structurales des catalyseurs à base de Cobalt supportés sur alumine et des paramètres cinétiques spécifiques. Pour atteindre cet objectif, il a été mis en oeuvre une étude cinétique en régime permanent couplé à la technique « SSITKA » sur différents échantillons de Cobalt. En utilisant cette méthodologie, il a été trouvé que la conversion en CO sur 5 catalyseurs à base de Cobalt dépend uniquement du nombre de site initial sur la surface atomique de Cobalt réduit. Aucune influence de la taille de particule, de l'orientation de la phase cristalline ou du promoteur n'a pu être mis en évid ence. Les expériences SSTIKA réalisées sur une longue durée ont permis d'estimer le nombre de sites actifs dans les conditions de travail. Enfin, la modélisation cinétique a démontré que l'espèce la plus abondante sur la surface est le monoxyde de carbone adsorbé et que deux intermédiaires distincts de surface conduisent à la production de méthane et des hydrocarbures plus lourds / The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) converts a mixture of hydrogen and carbon monoxide (syngas) selectively into hydrocarbons with a large chain length distribution. Syngas can be produce from different resources such as natural gas, coal and biomass. In the light of energy resource diversi fication, FTS can make a crucial contribution to the production of liquid fuels. Alumina supported cobalt catalysts are used to produce heavy waxes. The activity and selectivity depend on the structural and textural properties of the catalyst. This study aims at establishing a link between the structural properties of alumina supported cobalt catalysts and specific kinetic parameters. To this purpose, the steady-state and SSITKA kinetics over different cobalt samples have been carried out. By using this met hodology, it was found that the CO conversion over 5 cobalt catalysts only depends on the initial number of reduced cobalt surface atoms. No influence of the cobalt particle size, phase orientation or promotor could be identified. SSITKA experiments during long-term catalyst testing allowed estimating the number of active sites under working conditions. Further modelling showed that the most abundant surface species is adsorbed carbon monoxide and that two distinct surface intermediates lead to the production of methane and higher hydrocarbons

Depuis les années 1970, de nombreuses études ont rapporté l’oxydation des substrats énergétiques exogènes au repos ou pendant l’exercice. Les glucides ont gagné en popularité, puisque leur oxydation a été associée avec une amélioration de la performance. Pour étudier l’oxydation des glucides exogènes pendant l’exercice, deux techniques sont nécessaires : la calorimétrie indirecte respiratoire couplée au traçage isotopique. Ce mémoire décrit, dans un premier temps, la calorimétrie indirecte respiratoire en présentant et démontrant les équations utilisées dans cette méthode. La technique de traçage par isotope 13C ou 14C est ensuite présentée en insistant sur le développement des équations sur lesquelles elle repose. Dans un deuxième temps, les facteurs pouvant influencer le taux d’oxydation et la contribution à la fourniture d’énergie du glucose exogène pendant l’exercice prolongé sont rapportés dans les analyses de régressions multiples. L’objectif de cette analyse est d’identifier les facteurs expliquant le mieux la variation de ces deux variables. La grande variabilité existante dans les conditions expérimentales de la littérature rend difficiles les comparaisons. Par conséquent, les analyses sont effectuées sur une condition standard représentant les caractéristiques les plus communes de la littérature. La grande majorité des études ayant été effectuées sur une population semblable (hommes, entre 65 et 80 kg, âgés entre 20 et 40 ans), davantage de travaux sont nécessaires sur d’autres types de population active et sur des sujets d’âge et de masse corporelle différents. Les résultats de cette méta-analyse pourront aider à améliorer les recommandations sur l’ingestion de glucides au cours de l’exercice prolongé. / Since the 1970s, numerous studies have reported the oxidation of exogenous energy substrates at rest or during exercise. Carbohydrates have gained popularity, as their oxidation has been associated with improved performance. To study the oxidation of exogenous carbohydrates during exercise, two techniques are required: indirect respiratory calorimetry coupled with isotope tracing. This dissertation first describes the respiratory indirect calorimetry by presenting and demonstrating the equations used in this method. The 13C or 14C isotope tracing technique is then presented with emphasis on the development of the equations on which it is based. Second, factors that may influence the oxidation rate and contribution to energy supply of exogenous glucose during prolonged exercise are reported the multiple regression analysis. The objective of this analysis is to identify the factors that best explain the variation in these two variables. The large variability existing in the experimental conditions in the literature makes comparisons difficult. Therefore, the analyses are performed on a standard condition representing the most common characteristics in the literature. Because most of the studies were performed on a similar population (men, between 65 and 80 kg, aged between 20 and 40 years), more work is needed on other types of working populations and on subjects of different ages and body mass. The results of this meta-analysis may help improve recommendations for carbohydrate intake during prolonged exercise.