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13. Systemwissenschaftliches Kolloquium

Wintersemester 2006/07

Mittwochs 16 Uhr c.t. - 18 Uhr s.t., Barbarastr. 12, Raum 66/101

Terminübersicht

02.11.2006
Prof. Dr. Bernd Blasius, Universität Potsdam
Dynamic of epidemic outbreaks in a network of cities.

09.11.2006
Prof. Dr. Robert Kreuzig, TU Braunschweig
Rückstandsverhalten von Sulfonamiden in güllegedüngten Böden: Labortests und Testplotexperimente.

16.11.2006
Prof. Dr. Britta Klagge, Universität Osnabrück
Ansätze einer Finanzgeographie und das Beispiel des deutschen Risikokapitalmarkts.

23.11.2006
Prof. Dr. Arjen  Hoekstra, Universität Twente
Globalization of water.

30.11.2006
Dr. Jan-Ulrich Kreft, Universität Bonn
Individual-based modelling of microbes.

07.12.2006
Dr. Wolf von Tümpling, UFZ Leipzig
Schadstoffdynamik im Elbeeinzugsgebiet.

14.12.2006
Prof. Dr. Stefan Trapp, Technische Universität Dänemark, Lyngby
Phytoremediation.

11.01.2007
Prof. Dr. Andreas Schäffer, RWTH Aachen
Non extractable pesticide residues in soil and plants: neglected metabolites.

18.01.2007
Prof. Dr. Stefan Baumgärtner, Universität Lüneburg
Biodiversität als ökologisch-ökonomische Versicherung.

25.01.2007
Prof. Dr. Joachim Peinke, Universität Oldenburg
Windenergie.

01.02.2007
Prof. Dr. Max Rietkerk, Universität Utrecht
Self-organized patchiness and catastrophic shifts in ecosystems.

Kurzfassungen der Vorträge

02.11.2006
Prof. Dr. Bernd Blasius, Universität Potsdam

Dynamic of epidemic outbreaks in a network of cities.

Recurrent epidemics of infectious childhood diseases such as measles are a major health problem and have been subject to extensive theoretical research. Here we develop a theory for the dynamics of epidemic outbreaks and their synchronization in a network of coupled cities with distributed sizes. Each city is described by a seasonally forced SEIR model. The model generates chaotic dynamics with annual and biennial dynamics in excellent agreement with long-term data sets. A new qualitative criterion based on the attractor topology is developed to distinguish between major outbreaks and epidemic fade-outs. This information is coded into a symbolic dynamics. We are able to deduce a one dimensional first return map of the chaotic SEIR equations, which upon iteration is able to generate the symbolic sequence of major outbreaks. The synchronization of epidemic outbreaks in a network of cities is defined as measure based on the symbolic dynamics. When applied to real data sets we find an excellent agreement between these spatio-temporal patterns and the results from the numerical simulation, when in the model the distribution of city sizes is taken into account. For this, we assume that the coupling strength between two interacting cities depends on the size ratio of the two cities. This, effectively gives rise to a hierarchical network topology, which translates to a hierarchic dynamics of the outbreaks.

09.11.2006
Prof. Dr. Robert Kreuzig, TU Braunschweig

Rückstandsverhalten von Sulfonamiden in güllegedüngten Böden: Labortests und Testplotexperimente.

ür die Untersuchung des Rückstandsverhaltens von Sulfonamiden in güllegedüngten Böden wird ein mehrstufiges Untersuchungskonzept vorgestellt, das Labortest und Testplot-Studien einschließt. Im ersten Ansatz werden Labortests zur mikrobiellen Abbaubarkeit und Sorption in Böden vorgestellt. Hieraus lassen sich erste Tendenzen zur Persistenz und Mobilität in den untersuchten Böden abschätzen. Im zweiten spezifischeren Ansatz werden zusätzlich chemische und photoinduzierte Abbauprozesse erfasst. Während anhand der erst genannten Labortests unter Einsatz mikrobiell inaktiver Bodenproben die Bedeutung der bodeninhärenten Mikroorganismen auf die Rückstandsdynamik von Sulfonamid-Rückständen abgeleitet werden kann, wird in den zweiten unter Verwendung einer Bestrahlungsapparatur auch der Einfluß photochemischer Umwandlungen in Böden berücksichtigt und somit die Übertragbarkeit von Labor- auf Freilandbedingungen erhöht. Dieses gilt auch für die Verlagerungstests in Bodenmonolithen, die in Ergänzung der Boden/Was­ser-Vertei­lungs­koeffi­zien­ten durchgeführt werden. Im dritten Schritt findet der praxisrelevante Eintragspfad über die Gülleausbringung Berücksichtigung. Auf der Basis von Stabilitätstests in Gülle wird Testgülle mit definiert gealterten Sulfonamid-Rückständen hergestellt und in den Abbau- und Sorpti­ons­tests eingesetzt. Im Rahmen von Testplotexperimenten zum Oberflächenabfluß werden dann auch Abbau- und Verlagerungsverhalten von Sulfonamiden unter Freilandbedingungen untersucht.

16.11.2006
Prof. Dr. Britta Klagge, Universität Osnabrück

Ansätze einer Finanzgeographie und das Beispiel des deutschen Risikokapitalmarkts.

In der Vergangenheit wurden Kapital und Finanzmittel häufig als ubiquitär verfügbare Standortfaktoren angesehen. Finanzmittel seien hochmobil und "fänden" die jeweils profitabelste Anlagemöglichkeit, unabhängig vom Standort. Neuere Forschungen zeigen jedoch, dass Kapitalmärkte keineswegs perfekt sind. Vielmehr kommt der räumlichen Organisation des Finanzsektors eine wichtige Rolle für die Finanzierungsbedingungen vor allem kleinerer Unternehmen zu. Im Vortrag werden die theoretischen Grundlagen für eine daraus resultierende "Finanzgeographie" diskutiert und am Beispiel des deutschen Risikokapitalmarktes illustriert.

23.11.2006
Prof. Dr. Arjen  Hoekstra, Universität Twente

Globalization of water.

Where the river basin is generally seen as the appropriate unit for analyzing freshwater availability and use, I will argue that it becomes increasingly important to put freshwater issues in a global context. International trade of commodities implies flows of 'virtual water' over large distances, where virtual water is understood as the volume of water that was used to produce a commodity. Virtual water flows between nations have been estimated from statistics on international product trade and the virtual water content per product. The calculated global volume of virtual water flows related to the international trade in commodities is 1625 Gm3/yr. About 80% of these virtual water flows relate to the trade in agricultural products, while the remainder is related to industrial product trade. An estimated 16% of the global water use is not for producing domestically consumed products but products for export.

The consumption of a product is connected to a chain of impacts on the water resources in the countries where the product is grown and processed. The impact of local consumption on global water resources can be represented by the concept of water footprint, which shows the extent of water use in relation to consumption of people. I will show this with examples for the water footprint of coffee consumption and cotton use. The total water footprint of a country is defined as the volume of water needed for the production of the goods and services consumed by the inhabitants of the country. The internal water footprint is the volume of water used from domestic water resources; the external water footprint is the volume of water used in other countries. The USA appears to have an average water footprint of 2480 m3/cap/yr, while China has a footprint of 700 m3/cap/yr. The four major factors determining the water footprint of a country are: volume of consumption (related to the gross national income); consumption pattern (e.g. high versus low meat consumption); climate (growth conditions); and agricultural practice (water use efficiency).

With increasing globalization of trade, global water interdependencies and overseas externalities are likely to increase. At the same time liberalization of trade creates opportunities to decrease pressure on the water resources in water-scarce countries and to increase global water use efficiency and physical water savings. Studies show that international trade currently saves global water resources by 352 Gm3/yr, which is equivalent 6 per cent of the global water use in agriculture.

30.11.2006
Dr. Jan-Ulrich Kreft, Universität Bonn

Individual-based modelling of microbes.

The approach of Individual-based modelling (IbM) is simple: to describe the behaviour of the individual organisms rather than describing the behaviour of a population of individuals directly, because the population level properties emerge from actions and interactions among individuals and with their environment (bottom-up approach). For example, fitness consequences of individual behaviour are emergent properties. While it seems natural to use IbM for birds and other 'macrobes', microbes have no brains and their behaviour should be much simpler as a consequence. Maybe surprisingly, bacteria do show social behaviour such as cooperation and communication and even isogenic individuals can differ drastically in status and behaviour - a key reason to use IbM - due to stochastic gene regulation and differences in their local environment and history. In fact, microbes are increasingly used as model systems for fundamental evolutionary and ecological problems. The talk will discuss some of the issues specific for IbM of microbes such as the tight coupling to physical processes like diffusion, by using an IbM of biofilms (spatially structured surface attached communities) as a paradigmatic example. Applying the model to the 'tragedy of the commons' problem, I will show how altruistic behaviour can evolve in biofilms.

07.12.2006
Dr. Wolf von Tümpling, UFZ Leipzig

Schadstoffdynamik im Elbeeinzugsgebiet.

Als Folge geologischer und klimatischer Ereignisse unterlag und liegt das Elbeeinzugsgebiet landschaftsprägenden Veränderungen. Ohne Zivilisation sind sie als natürliche Erscheinungen anzusehen, die keine Umweltbelastung im Sinne einer Umweltverschmutzung durch Schadstoffe darstellen. Mit der Besiedlung hat der anthropogene Einfluss auf das Einzugsgebiet der Elbe begonnen und bis heute zugenommen. Neben Flussbegradigungen, -vertiefungen und Stauhaltungen sowie Deich und Buhnenbauten kam und kommt es durch industrielle, gewerbliche und urbane Ansiedlungen, Bergbauaktivitäten sowie industriell hergestellte und in der Landwirtschaft intensiv eingesetzte Agrochemikalien zum Eintrag von Schadstoffen. Gebietsspezifische Schadstoffe wie Schwermetalle und Arsen aus dem früheren Erzbergbau und der metallverarbeitenden Industrie sowie organische Substanzen z. B. HCH aus der chemischen Industrie und der Landwirtschaft seien vorab erwähnt. Diese unterliegen ständig, wenn auch in unterschiedlicher Stärke einer Dynamik. Im Kolloquium wird deshalb die Schadstoffdynamik und deren Folgen für das Einzugsgebiet der Elbe vorgestellt. Die allgemeine Entwicklung seit 1990 sowie Auswirkungen von Hochwasserereignissen stehen dabei im Mittelpunkt. Neben analytischmethodischen Entwicklungen werden geochemische, hydrologische und biologische Aspekte in Verbindung mit relevanten Schadstoffen für das Einzugsgebiet der Elbe diskutiert. Dies beinhaltet sowohl die Erläuterung von Längsprofilbeprobungen an Sedimenten und dem Wasserkörper, Untersuchungen in urbanen Bereichen nach dem Elbehochwasser 2002 sowie Untersuchungen zum Schadstoffverhalten in der Aue bei Wittenberge als auch Betrachtungen zur Bioakkumulation von Metallen an Biofilmen.

14.12.2006
Prof. Dr. Stefan Trapp, Technische Universität Dänemark, Lyngby

Phytoremediation.

Mehr als 1 000 000 Standorte in der Europäischen Union gelten als schadstoffbelastet. Zu ihrer Reinigung gibt es technische und biologische Verfahren. Phytoremediation nennt man die Technik, Böden und Wasser mithilfe von Pflanzen zu reinigen. Insbesondere die Wurzelzone ist ein Raum mit sehr intensivsten Stoffwechselvorgängen. Die verschiedenen Lebensgruppen (Bakterien, Pilze, Pflanzen) können selbst resistente Gifte in manchen Fällen vollständig mineralisieren. Diese Technik ist kostengünstig und hat ein "grünes" Image. Allerdings sind die Vorgänge komplex und kaum erforscht, und es kam zu etlichen Fehlschlägen (mangelnde Effektivität) beim Einsatz der Phytoremediation. Experimente zur Bestimmung der Toxizität, des Abbaus und der Aufnahme in Bäume wurden für eine Vielzahl von Schadstoffen durchgeführt und führten zu teilweise überraschenden Ergebnissen. Häufig sind gerade die Stoffe, die für tierische Organismen und Menschen sehr gefährlich sind, für Pflanzen recht harmlos. Denn einerseits verfügen Pflanzen über einen grundsätzlich anderen Organismus. Andererseits reichern sich in Pflanzen wasserlösliche (polare) Stoffe an, während in der tierischen (und menschlichen) Nahrungskette lipophile (unpolare) Stoffe akkumulieren. Ergebnisse aus Laborversuchen können dazu verleiten, die Effektivität der Methode zu überschätzen. Dies wird anhand der Ergebnisse von Massenbilanzrechnungen deutlich. Des Weiteren werden die Ergebnisse von Feldversuchen vorgestellt, um die Vorteile und die Nachteile der Phytoremediation zu beleuchten.

11.01.2007
Prof. Dr. Andreas Schäffer, RWTH Aachen

Non extractable pesticide residues in soil and plants: neglected metabolites.

The formation of non-extractable residues (NER) of organic xenobiotics in soil and plants is well documented. However, in most cases the identity of the immobilized resi­dues, their binding mode and their bioavailability are obscure. Here, we present corresponding data of two pesticides, the herbicide simazine in soil and the fungicide cyprodinil in plants.

(1) When simazine was incubated in native soil about 50% of the applied radioactivity remained bound to the soil after thorough extraction. Growing plants in the extracted soil mixed with fresh soil about 30% of the formerly NER were remobilised, both as water extractable residues and as 14CO2. 70 to 95% of the extractable residues were identified as hydroxy­simazine. By the time of ripening, the difference of the release between planted and unplanted systems was however low but mineralization was higher in presence of plants. We conclude that remobilisation of NER may occur both by abiotic and biotic mechanisms.

(2) In order to characterize soil-bound simazine residues we applied 15N-NMR spectroscopy of the 15N-labeled compound incubated in 15N-depleted compost mixed with sand as a soil substitute. The data indicated that the bound residues of simazine contain metabolites resulting from N-dealkylation with an intact aromatic ring as well as those derived from triazine ring destruction.

(3) The application of 14C-cyprodinil to wheat leaves led to the formation of up to 30% of the applied amount in form of NER with 60% located in lignin and cuticula components. To elucidate the binding mechanism of the bound residues 13C-cyprodinil was applied on 13C-depleted wheat plants. The NER were mobilised by cell wall fractionation and analysed via high-resolution 13C-NMR. Accordingly, unchanged cyprodinil at a low concentration was accumulated in the cuticula but neither cyprodinil nor primary metabolites were incorporated into the lignin. There, the active ingredient was apparently transformed into lignin precursors and subsequently incorporated into the lignin polymer.

18.01.2007
Prof. Dr. Stefan Baumgärtner, Universität Lüneburg

Biodiversität als ökologisch-ökonomische Versicherung.

Humans make use of ecosystem services in a variety of ways. Typically, these ecosystem services are stochastic, such as e.g. the production of green biomass in grasslands, water run-off from a watershed, the level of pollination provided by insects, etc. Economic decision makers, who (i) consider ecosystem services as contributing to their income or, more generally, their well-being, and (ii) are risk-averse, thus, face a risk. This includes orchard farmers, water utility managers or rangeland managers. Biodiversity influences their risk, as it influences the underlying ecosystem processes and functioning. In particular, it influences the statistical distribution at which ecosystem services are being provided. One result from recent ecological research is that in certain ecosystems and for certain ecosystem services, as biodiversity increases the variations in ecosystem services decrease. Therefore, risk-averse decision makers, who are confronted with stochastic variations in their income (stemming from fluctuations in ecosystem services), may consider biodiversity as a particular form of insurance against variations in their income.

I will discuss this hypothesis from an ecological-economic point of view, with a particular emphasis on conceptual questions of integrated ecological-economic modelling, risk assessment and management.

25.01.2007
Prof. Dr. Joachim Peinke, Universität Oldenburg

Windenergie.

In diesem Beitrag sollen aus Sicht der Physik aktuelle Forschungsaspekte der Windenergiewandlung dargestellt werden. Diese regenerative Energie ist dadurch ausgezeichnet, dass aus bodennahen, d.h. turbulenten Luftströmungen Energie gewonnen wird, welche folglich große Unregelmäßigkeiten aufweist. Die Strömungsturbulenzen führen zu nicht normalen Statistiken mit besonders häufigen Extremwerten, was sowohl für die Energieversorgung als auch für mechanische Lasten auf eine Windkraftanlage von Bedeutung ist.

Eine arbeitende Windkraftanlage kann auch als ein nichtlineares System unter speziellen Rauschanregungen verstanden werden. Wie bei so einer Betrachtung mit modernen Verfahren der Zeitserienanalyse, eine genaue Charakterisierung und Modellierung des dynamischen Verhaltens einer Windkraftanlage erhalten werden kann, soll aufgezeigt werden.

01.02.2007
Prof. Dr. Max Rietkerk, Universität Utrecht

Self-organized patchiness and catastrophic shifts in ecosystems.

Unexpected sudden catastrophic shifts may occur in ecosystems, with concomitant losses or gains of ecological and economic resources. Such shifts have been theoretically attributed to positive feedback and bistability of ecosystem states. However, verifications and predictive power with respect to catastrophic responses to a changing environment are lacking for spatially extensive ecosystems. This situation impedes management and recovery strategies for such ecosystems. I will present and discuss a theoretical framework linking self-organized patchiness and catastrophic shifts between ecosystem states by a resource concentration mechanism.