Technische Universität Dresden: Qucosa
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Diffuse nutrient input to large rivers: Quantifying groundwater discharge and its effects on riverine eutrophication in the Elbe
No full textÜbermäßige Nährstoffeinträge und die daraus resultierende Eutrophierung stellen eine erhebliche Beeinträchtigung für die Qualität der Oberflächengewässer dar, zu welcher es nach wie vor nur unzureichende Lösungsansätze gibt. Die Nährstoffflüsse und das damit verbundene Problem der Eutrophierung sind ein wesentlicher Grund dafür, dass im Sinne der EU-Wasserrahmenrichtlinie weniger als 10 % der deutschen Flüsse bis 2021 einen guten ökologischen Zustand aufwiesen. Da Grundwasser jedoch die wichtigste diffuse Nährstoffquelle ist, muss dessen Beitrag zeitlich quantifizierbar und qualifizierbar sein. In einem überregionalen System wie der Elbe jedoch, variieren die hydraulischen Gradienten und der geologische Untergrund entlang des Flusses, was zu heterogenen Grundwasserströmungssystemen mit sehr unterschiedlichen Verweilzeiten führen kann. Eine der bedeutendsten ökologischen Auswirkungen erhöhter Nährstoffkonzentrationen, welche überwiegend aus diffusem Grundwasserzustrom stammen, ist die Eutrophierung. Das heißt eine erhöhte Primärproduktion von planktischer und benthischer Algenbiomasse. Die Folgen sind vielfältig und umfassen instabile Sauerstoffverhältnisse, ein erhöhtes Risiko toxischer Algenblüten und letztlich einen Rückgang der biologischen Vielfalt. Daher wird in dieser Arbeit die räumliche, zeitliche und zurückliegende Dynamik diffuser Grundwassereinträge am Beispiel der eutrophen Elbe quantifiziert, wobei die Auswirkungen von grundwasserbürtigen Nährstoffen auf die benthische und planktonische Eutrophierung systematisch analysiert werden.
Der Grundwasserzustrom in die Elbe wurde räumlich und zeitlich anhand von hydraulischen Gradienten entlang einer 450 km langen freifließenden Strecke lokalisiert. Die volumetrische Abschätzung wurde durch einen Multimethodenansatz bestimmt, welcher auf einer Massenbilanzierung, einer inversen geochemischen und Tritium-Modellierung, sowie einem Darcy-Ansatz beruhte. Entlang des Flusses traten Grundwasserzuströme mit hoher Variabilität auf. Effluente Verhältnisse waren zwischen Frühsommer und Herbst nachweisbar, während inverse Gradienten (influente Verhältnisse) im Frühjahr und Winter auftraten. Die höchste Wahrscheinlichkeit von Grundwasserzuflüssen wurde unabhängig von der Jahreszeit oder den hydraulischen Bedingungen in den oberstromigen Gebirgsregionen festgestellt, während sie in den flussabwärts gelegenen Teilen des Tieflandes abnahm. Unerwartete, aber signifikante Beiträge von landwirtschaftlichen Entwässerungskanälen wurden in den Tieflandgebieten nachgewiesen. Grundwasser trug unter Niedrigwasserbedingungen mit einem hohen Gesamtvolumen von 37 m³/s zum Flussvolumen bei. Um diese ermittelten Grundwasserflüsse und die darin enthaltenen Nährstoffe in einen zeitlichen Zusammenhang zu bringen, wurden die mittleren Verweilzeiten der angrenzenden oberen Grundwasserleiter in einem lumped-parameter-Modell ermittelt. Die Nutzung der Umwelttracer 3H/3He, SF6, FCKW und 14C ergaben eine Altersverteilung von 0 - 41 Jahren mit einem piston flow-, einem Exponential- und einem Dispersionsmodell. Dieses junge Grundwassersystem ist nur teilweise denitrifiziert und weist geringe bis moderate Zumischungen von älteren Wässern auf. Daraus lässt sich schließen, dass die Nährstoffkonzentrationen aus dem Grundwasser, welche aktuell in die Elbe fließen, in Zukunft abnehmen werden, da die Düngemittelspitze aus DDR-Zeiten (1945-1989) bereits passiert ist. Diese Vorhersage ist für ein nachhaltiges Flussgebietsmanagement von großer Bedeutung, um die Folgen der Eutrophierung durch Nährstoffüberschüsse zu verringern.
Die ökologischen Auswirkungen von grundwasserbürtigen Nährstoffen auf die Eutrophierung in der Elbe, wurden anhand von lokalen (Biofilme) und regionalen (Phytoplankton) ökologischen Parametern ermittelt, welche Schlüsselfaktoren der Eutrophierung sind. Die Biofilme wurden saisonal auf künstlichen Substraten in ausgewählten Flussabschnitten entlang von Gradienten des Nährstoffeintrags durch Grundwasser erfasst. Die Auswirkungen des limitierenden Nährstoffs Phosphor (P) auf das Algenwachstum unter Niedrigwasserbedingungen, wurden mit Hilfe eines stöchiometrischen Ansatzes auf der Grundlage von fließzeitenkonformen Algen- und Nährstoffdaten ermittelt. Im Ergebnis zeigten die Biofilm-Proxies deutliche Auswirkungen der Saisonalität als primärem Faktor und der Interaktion von Aquifertyp und Grundwasserzustrom. Der Einfluss des Grundwassers ist allgemein im Herbst in Lockergesteinsgrundwasserleitern mit hohem Grundwassereinfluss am stärksten, sowie im Sommer, unabhängig vom Grundwasserleitertyp. Die wichtigsten Umweltfaktoren, welche sich auf Biofilme auswirken, sind Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, Trübung und der Nährstoffgehalt in der Wassersäule. Im Hinblick auf die Phytoplanktondynamik für den hier untersuchten 450 km langen Flussabschnitt, trägt der diffuse grundwässerbürtige P Strom unter Niedrigwasserbedingungen 1,5 t/d bei. Dies entspricht einer zusätzlichen planktonischen Fracht von 46 t/d partikulären organischen Kohlenstoffs unter nährstofflimitierenden Bedingungen. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf das Eutrophierungspotenzial.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese interdisziplinäre Dissertation die erste Quantifizierung der umfassenden Wirkungskette des Nährstoffeintrags aus dem Grundwasser in das Oberflächenwasser und des anschließenden Exports in das Ästuar darstellt, wobei der Schwerpunkt auf dem Problem der Eutrophierung liegt. Dies ist ein entscheidendes Ergebnis im Rahmen einer angepassten Flussbewirtschaftung und -vorhersage, welches es ermöglicht, gezielte und mittelfristige Maßnahmen zu ergreifen, um einen guten ökologischen Zustand und eine gute ökologische Funktionsweise zu erreichen.:Table of content
1. Abstract 10
2. Introduction 14
2.1. Nutrient loads and eutrophication in aquatic ecosystems 14
2.2. Groundwater – surface water interactions 17
2.3. Characteristics of the study area Elbe River 20
2.4. Research questions 22
2.5. References 24
3. Chapter I: A way to determine groundwater contributions to large river systems:
the Elbe River during drought conditions 29
4. Chapter II: Will groundwater-borne nutrients affect river eutrophication in the
future? A multi-tracer study provides evidence 47
5. Chapter III: Contribution of groundwater-borne nutrients to eutrophication
potential and the share of benthic algae in a large lowland river 71
6. Discussion 85
6.1. Large-scale quantification of groundwater dynamics 85
6.2. Legacies of groundwater-borne nutrients 86
6.3. Diffuse nutrients elevate river eutrophication and modify local biofilms 87
6.4. Transferability of findings 90
6.5. Conclusions 91
6.6. References 92
7. Publication record 94
8. Supplement 95
S1 Supplement material of Chapter I 95
S2 Supplement material of Chapter II 125
S3 Supplement material of Chapter III 133Excessive nutrient inputs and the resulting eutrophication represent a significant challenge to the quality of surface water bodies, one that remains inadequately addressed. Nutrient flux and the associated problem of eutrophication are a major reason why, according to the EU Water Framework Directive, less than 10 % of Germany’s rivers achieved a good ecological status by 2021. As groundwater is the most important diffuse nutrient source, its contribution must be quantifiable and qualifiable over time. However, in a transregional system such as the Elbe, hydraulic gradients and the geological subsurface vary along the river, which can lead to heterogeneous groundwater flow systems with highly variable residence times. One of the most significant ecological effects of increased nutrient concentrations, predominately stemming from diffuse groundwater, is eutrophication. Meaning the increased primary production of both planktonic and benthic algal biomass. The consequences are manifold and include unstable oxygen conditions, an increased risk of toxic algal blooms and ultimately a decrease in biodiversity. Accordingly, this thesis quantifies the spatial, temporal and past dynamics of diffuse groundwater discharge using the eutrophic river Elbe as a case study, wherein the impact of groundwater-borne nutrients on benthic and planktonic eutrophication was systematically analysed.
Groundwater discharge to the river was spatially and temporally localised using hydraulic head gradients along a 450 km free-flowing stretch of the German Elbe. Volumetric estimation was determined by a multi-method approach based on a flux balance, an inverse geochemical and tritium modelling and a Darcy approach. Along the river, groundwater discharge occurred with high variability, while effluent conditions are detectable between early summer and autumn and inverse gradients (influent) during spring and winter. The highest likelihood of groundwater discharge was found in the mountainous upland areas, regardless of season or condition, and decreased in the lowland downstream parts. Unexpected but significant contributions from cropland drainage channels were detected in the lowland parts, while groundwater contributed with a higher total volume of 37 m³/s under low flow conditions. In order to place these detected groundwater fluxes and the nutrients within a chronological stamp, the time scales of groundwater flow of adjacent aquifers were obtained in a lump parameter model. The multi-environmental tracer inputs of 3H/3He, SF6, CFCs and 14C resulted in an age distribution of 0 - 41 years with a piston flow, an exponential and a dispersion model. This young groundwater system is partly denitrified and shows little to moderate mixing with older water. It can therefore be concluded that groundwater-borne nutrient concentrations flowing into the Elbe River will decrease in the future, as the fertiliser peak from the GDR period (1945-1989) has already passed. This prediction is highly relevant for a sustainable river basin management to mitigate the consequences of eutrophication due to nutrient surplus.
These ecological effects of groundwater-borne nutrients on the eutrophication in the Elbe River were determined by using local (biofilms) and regional (phytoplankton) ecological parameters, which are key factors in eutrophication. Biofilms were recorded seasonally on artificial substrates in selected river reaches along gradients of nutrient input through groundwater. Effects of the limiting nutrient phosphorus (P) on plankton under low flow conditions were estimated using a stoichiometric approach based on river-conform data of algae and nutrients. As a result, biofilm proxies show distinct effects of seasonality as a primary factor and the interaction of aquifer type and groundwater flux. The impact of groundwater is generally highest in autumn in loose rock aquifer reaches with high groundwater influence and in summer, regardless of aquifer type. Major environmental impact factors affecting biofilms are temperature, electrical conductivity, turbidity and nutrients in the water column. With regard to phytoplankton, diffuse groundwater-borne P contributes 1.5 t/d under low flow conditions for the investigated 450 km stretch. This corresponds to an additional planktonic load of 46 t/d particular organic carbon under nutrient-limiting conditions, which has a significant impact on eutrophication potential.
In conclusion, this interdisciplinary project represents the first quantification of the comprehensive chain of effects of nutrient flux from groundwater to surface water and the subsequent export to the estuary, with a focus on the issue of eutrophication. This is a crucial objective in the context of adapted river management and forecasting, allowing targeted and medium-term measures to be taken to achieve good ecological status and function.:Table of content
1. Abstract 10
2. Introduction 14
2.1. Nutrient loads and eutrophication in aquatic ecosystems 14
2.2. Groundwater – surface water interactions 17
2.3. Characteristics of the study area Elbe River 20
2.4. Research questions 22
2.5. References 24
3. Chapter I: A way to determine groundwater contributions to large river systems:
the Elbe River during drought conditions 29
4. Chapter II: Will groundwater-borne nutrients affect river eutrophication in the
future? A multi-tracer study provides evidence 47
5. Chapter III: Contribution of groundwater-borne nutrients to eutrophication
potential and the share of benthic algae in a large lowland river 71
6. Discussion 85
6.1. Large-scale quantification of groundwater dynamics 85
6.2. Legacies of groundwater-borne nutrients 86
6.3. Diffuse nutrients elevate river eutrophication and modify local biofilms 87
6.4. Transferability of findings 90
6.5. Conclusions 91
6.6. References 92
7. Publication record 94
8. Supplement 95
S1 Supplement material of Chapter I 95
S2 Supplement material of Chapter II 125
S3 Supplement material of Chapter III 13
Governing Community Forests in Nepal: An Actor-cum-Institution Analysis of Management Outcomes
No full textForest ecosystems are under increasing threat from deforestation and degradation, jeopardizing biodiversity and human well-being. Over the past five decades, community forestry has emerged globally as a strategy to balance forest conservation with the livelihood needs of forest-dependent communities. In Nepal, where over 75% of rural households rely on forests for fuelwood, timber, and Non-Timber Forest Products (NTFPs), community forestry (CF) has played a critical role. However, the governance outcomes of CF often fall short of expectations, raising questions about the effectiveness of existing institutional arrangements and the power dynamics among actors.
Recent studies have tended to treat actors (with their interests and power tools) and institutions (the rules of the game) as separate domains. These studies emphasize the need to prioritize power in the analysis of forest management institutions (FMIs), recognizing that actors enforce, modify, or redesign institutions and are simultaneously shaped by them. However, few empirical studies examine institutional change from an actor-driven perspective. This has led to a fragmented understanding of power dynamics within FMIs, with notable methodological gaps—particularly a reliance on qualitative methods and a lack of mixed-methods approaches in diverse socio-ecological contexts. These limitations hinder analytical generalization and highlight the need for robust, comparative studies. Reviews further stress the need to explore complex power structures in Asian contexts, involving interactions between formal and informal actors and institutions through mixed-methods research.
In Nepal, CF has been adopted across regions with varying physiographic, socio-economic, and cultural conditions. Local communities are divided along caste, class, and gender lines that often reinforce entrenched inequalities, which in turn influence access to and control over forest resources. Despite extensive literature on Nepal’s CF, there remains a lack of empirical evidence on how actors—through their interests and power resources—reshape FMIs. This reflects a gap between institutional dynamics and actors’ influence on forest resource appropriation. Additionally, little is known about how CF outcomes vary under changing socio-economic and ecological contexts.
This research seeks to fill these gaps by exploring the interplay between formal and informal actors and institutions and how these shape forest management outcomes. Institutional interplay refers to interactions between actors and institutions—both formal and informal—through power dynamics that influence governance outcomes. In this framing, forest management outcomes are treated as dependent variables, and institutional types, mechanisms of change, institutional bricolage, actor attributes, and power manifestations as independent variables.
The specific objectives were to: review global literature on the role of power in establishing, maintaining, and adapting forest management institutions (FMIs); analyze actor-centered causes and mechanisms of institutional change in Nepal’s CF; examine the effects of institutional bricolage on CF management outcomes; and identify socio-economic and political determinants influencing institutional bricolage in CF. The study draws on two theoretical frameworks: Institutional Bricolage from Critical Institutionalism and Actor-Centered Power (ACP). Institutional Bricolage describes how actors blend or adapt formal and informal institutions in context-specific, often unplanned ways. ACP focuses on how actors use power features—coercion, incentives, and dominant information—to shape collective action and resource management, in both formal and informal dimensions. Together, these perspectives offer a nuanced lens to understand how actors navigate institutional and power dynamics in CF.
Methodologically, the study employs a mixed methods design, combining qualitative data from focus group discussions (38), key informant interviews (61), expert interviews (45), field observations, and reviews of eight CFUG management documents, alongside quantitative data from a household survey (342). The study covered eight CFUGs across four physiographic zones: Terai, Siwalik, Middle Mountain, and High Mountain. The variables analyzed included actor types, institutional arrangements, power features, and forest management outcomes. Qualitative data were analyzed using directed content analysis; quantitative data were processed with descriptive statistics, ANOVA, and logistic regression.
Key Findings include: i) Institutional Change in CF: Over the past five decades, Nepal’s CF shifted from state-controlled to community-based management, driven mainly by formal actors through exogenous mechanisms—such as crises, political reforms, and global agendas—and complemented by endogenous mechanisms like puzzling, learning, and feedback. These shifts produced region-specific outcomes: exogenous mechanisms dominate in the lowlands (e.g., commercial timber), while endogenous mechanisms support conservation in mountainous regions (e.g., NTFPs). Over time, formal exogenous institutions increased their dominance, while both formal and informal endogenous institutions declined, particularly in the lowlands. Nonetheless, informal endogenous institutions remain embedded in local practice and contribute to forest conservation, especially in the mountains; ii) Regional Variations in Institutional Bricolage: Institutional bricolage varies across regions. In the mountains, mechanisms like aggregation and articulation support subsistence resource use. In the Terai, alteration—such as adopting silviculture-based forest management—aims at commercial timber production. Alteration yielded both positive (e.g., increased natural regeneration, income, and product availability) and negative outcomes (e.g., focus on commercial species, equity neglect, political interference, and re-centralization of decision-making). Aggregation in the mountains enhanced access, participation, and local ownership, whereas erosion generally resulted in resource depletion; and iii) Socio-Economic and Political Determinants: Different actor attributes shape outcomes across regions. In the lowlands, institutional knowledge, migration, networks, forest dependency, and executive committee positions drive alteration. In the mountains, ethnicity, gender, knowledge, networks, and forest dependency foster aggregation. Formal actors use coercion and regulatory tools to drive ecological outcomes, while informal actors influence social and economic outcomes through narratives linked to beliefs, traditions and localized practices.
This research theoretically contributes advancing the understanding of forest governance in community forests by grounding its analysis on an actor-cum-institutional lens with institutional bricolage under critical institutionalism, and Actor-Centered Power (ACP) framework. It demonstrates how local actors manifest different features of power to reshape institutions related to forest resource use, resulting in diverse outcomes. The findings support the core argument of Critical Institutionalism—that institutions are shaped by socio-cultural realities and power dynamics—by contextualizing them within specific geographies, resource salience, and socio-cultural settings. Likewise, this research extends the ACP framework by unpacking how both formal and informal actors employ power to influence institutional change processes and outcomes. Methodologically, the use of a mixed-methods approach captures the complexity of forest resource governance across diverse socio-ecological settings. It validates the analytical strength of combining qualitative and quantitative techniques in examining actor–institution interactions. For policymakers, the research underscores the need to integrate endogenous (informal) institutions into formal governance frameworks, supporting hybrid, adaptive systems attuned to local realities. Recognizing the role of informal actors can foster inclusive governance and equitable decision-making. From the perspective of forest user groups, the findings emphasize the importance of participatory mechanisms that empower marginalized voices, ensuring fair access to forest resources and benefits. Finally, the research points toward future avenues for exploring how institutions and power dynamics co-produce intended and unintended outcomes across multi-level governance systems, particularly in timber and NTFP value chains.:Table of Contents
Declaration of originality and authorship
Declaration of Conformity
Acknowledgements
Acronyms and definitions
Summary
1. Introduction
1.1. Background and the state-of-the-art
1.2. Objective and research questions
1.3. Core and additional publications-linked to the research objectives
2. Theoretical framework and propositions
2.1. Actors in CF resource appropriation
2.1.1. Definition and typology of actor
2.1.2. Actor interests 8
2.1.3. Actor socio-economic and political attributes
2.1.4. Actor-Centered Power Approach (ACP)
2.2. Institutions and Critical Institutionalism
2.2.1. Typology of institutions
2.2.2. Institutional change over time
2.2.3. Institutional bricolage by actors
2.3. Community forest management outcomes
2.4. Actor-cum-institution framework
2.5. Propositions
3. Methodology
3.1. Study area - Nepal
3.2. Research design and sampling
3.3. Data collection
3.3.1. Systematic literature review
3.3.2. Empirical data collection
3.3.3. Description of the variables
3.4. Data analysis and interpretation
4. Results
4.1. Global conceptualization of power in FMIs literatures
4.1.1. Conceptualization of power in FMIs literature
4.1.2. Power manifestation in FMIs
4.2. Institutions and institutional change mechanisms
4.2.1. Actors and interests
4.2.2. Typology of institutions and sources
4.2.3. Temporal Trends in Institutional Dynamics
4.2.4. Mechanisms of institutional change in CF
4.2.5. Outcomes linked to institutional change
4.3. Institutional bricolage manifestation in CF
4.3.1. Resource appropriation practices
4.3.2. Institutional bricolage manifestation
4.3.3. Institutional bricolage and forest management outcomes
4.4. Socio-economic and political determinants of institutional bricolage manifestation
4.4.1. Socio-economic and political attributes in Lowland landscapes
4.4.2. Socio-economic and political attributes in Mountain landscapes
4.5. Power manifestation and bricolage outcomes
4.5.1. Power manifestation leading to diverse bricolage outcomes in Lowlands
4.5.2. Power manifestation leading to diverse bricolage outcomes in Mountainous
5. Discussion
5.1. Actors and global variations in the exercise of power
5.2. Positive and negative outcomes of institutional change in community forests
5.3. Outcomes of institutional bricolage manifestations by actors: geographic variations and resource salience
5.3.1. Aggregation- as a positive force
5.3.2. Alteration- navigating change for economic gains
5.3.3. Articulation-rejection of formal institutions
5.3.4. Erosion-unintended consequences
5.4. Socio-economic and political attributes of local actors
5.4.1. Socio-Economic and Political Attributes in the Lowlands
5.4.2. Socio-Economic and Political Attributes in Mountainous Regions
5.5. Variations in power exercise by actors leading to ecological and socio-economic outcomes
5.5.1. Variations in power exercise by actors leading to ecological and socio-economic outcomes in the lowlands
5.5.2. Variations in power exercise by actors leading to ecological and socio-economic outcomes in the Mountainous regions
6. Conclusions
6.1. Contribution to theory development
6.2. Critical reflections on applicability of mixed methods approach
6.3. Insights for promoting sustainable forest management in CF
References
Annexes – Core Articles
Annex 1: Power in forest management institutions: A systematic review
Annex 2: Linking institutional change mechanisms with forest management outcomes: evidence from community forestry in Nepal
Annex 3: The manifestation of institutional bricolage and community forest management outcomes: Insights from four socio-ecological settings in Nepal
Annex 4: Socio-economic and political determinants of institutional bricolage in forest resource appropriation: Mixed methods insights from Lowlands and Mountain landscapes of Nepa
Complexity drivers in product development: A comparison between literature and empirical research
No full textCompanies in high-technology marketplaces are confronted with social, market-specific, technological and economical changes such as technology innovation, changing customer requirements, globalization of markets and competitions as well as market uncertainty. Manufacturing companies cannot escape these trends. For company´s success, it is fundamental to bring new and high quality products quickly and with customer´s individual settings to market. Product development is one of the most complex tasks and uncertain processes in the company. Complexity in product development comes from a variety of internal and external sources, so called complexity drivers. In literature, 108 complexity drivers in product development are described by several authors. To compare literature´s information about complexity drivers in product development and their effects with the practice, an empirical study is needed. Currently, an empirical research regarding complexity drivers in product development in manufacturing companies and their effects does not exist. Covering this research gap is this paper’s purpose. For this empirical study, a six stage systematic approach from Flynn et al. was applied, starting with the determination of the theoretical foundation and the research design as well as the selection of the data collection method. The data was collected in different fields of the German manufacturing industry through standardized questionnaires, which were sent by e-mail to 3,086 companies between 2015 and 2016. In total, 295 questionnaires were answered completely. The data was analyzed by using statistical methods. The empirical results regarding complexity drivers were compared with literature to identify communalities and differences. In literature, 108 complexity drivers and 18 effects are described. In contrast, 30 complexity drivers and 4 effects were mentioned by experts. Based on a factor analysis, the complexity drivers were aggregated to 7 factors, which reflect the complexity drivers
Cell-free synthesis of silver nanoparticles in spent media of different Aspergillus species
No full textThe recovery and valorization of metals and rare earth metals from wastewater are of great importance to prevent environmental pollution and recover valuable resources. Certain bacterial and fungal species are capable of removing metal ions from the environment by facilitating their reduction and precipitation. Even though the phenomenon is well documented, little is known about the mechanism. Therefore, we systematically investigated the influence of nitrogen sources, cultivation time, biomass, and protein concentration on silver reduction capacities of cell-free cultivation media (spent media) of Aspergillus niger, A. terreus, and A. oryzae. The spent medium of A. niger showed the highest silver reduction capacities with up to 15 μmol per milliliter spent medium when ammonium was used as the sole N-source. Silver ion reduction in the spent medium was not driven by enzymes and did not correlate with biomass concentration. Nearly full reduction capacity was reached after 2 days of incubation, long before the cessation of growth and onset of the stationary phase. The size of silver nanoparticles formed in the spent medium of A. niger was influenced by the nitrogen source, with silver nanoparticles formed in nitrate or ammonium-containing medium having an average diameter of 32 and 6 nm, respectively
Bioresorbierbare temporäre epikardiale Herzschrittmacherelektroden aus Molybdän
No full textHintergrund
Temporäre, epikardiale Schrittmacherstimulation ist ein kardiochirurgisches Standardverfahren für die Behandlung von postoperativen Arrhythmien. Nach einer Nutzungszeit von 3 - 4 Tagen werden temporäre myokardiale Elektroden (TME) manuell gezogen. Wenn sie nicht entfernt werden können, werden sie üblicherweise auf Hautniveau abgeschnitten und die verbleibenden Fragmente im Körper belassen. Komplikationen beim Einsatz von TME werden selten berichtet, umfassen aber teils schwerwiegende Verläufe. Es können Blutungen aufgrund des manuellen Zugs ebenso wie Migration oder Infektion von belassenen Fragmenten auftreten. Um solchen Komplikationen vorzubeugen, werden bioresorbierbare TME aus Molybdän (Mo) entwickelt. Mo weist hervorragende Eigenschaften als resorbierbares Implantatmaterial auf und wird im vorgestellten TME-Design von einer doppelten Beschichtung mit medizinisch etablierten, resorbierbaren Polymeren ummantelt.
Für die weitere Entwicklung vollständig resorbierbarer Mo-TME ist der Nachweis ihrer Funktionalität, Beschreibung ihres Degradationsverhaltens und Untersuchung der Biokompatibilität notwendig. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist ihre erstmalige Anwendung ex-vivo und in-vivo sowie Toxizitätsuntersuchungen von Mo in Zellkulturen.
Material und Methoden
Die Funktionalität der Mo-TME Demonstratoren wurde mittels elektrophysiologischer Untersuchungen zunächst ex-vivo am Langendorff-Rattenherz und anschließend in einer in-vivo Versuchsreihe durch Implantation an Wistar-Ratten überprüft. Die elektrophysiologischen Untersuchungen umfassten sowohl Sensing- als auch Stimulationseigenschaften. Die in-vivo Versuchsreihe wurde durch drei Kohorten mit Beobachtungszeiträumen von je einer Woche, zwei Wochen und einem Monat nach Implantation gebildet.
Das Degradationsverhalten von Mo und Polymerbeschichtung wurde mithilfe semiquantitativer Scores an den explantierten TME beschrieben und mit metallmikroskopischen Querschnittsaufnahmen verglichen.
Die Biokompatibilität von Mo wurde in mehreren komplementären Ansätzen untersucht. Eine mögliche Toxizität an humanen Kardiomyozyten (HCM) und humanen Kardiofibroblasten (HCF) wurde in Zellkulturen mit unterschiedlichen Mo-Konzentrationen im Kulturmedium geprüft. Durch emissionsspektrometrische Messung des Mo-Gehalts verschiedener biologischer Proben aus dem in-vivo Versuch wurde die Mo-Verteilung im Organismus im Zeitverlauf dargestellt. Untersucht wurde lokales Herzgewebe, lokale Haut, Niere, Urin, Leber, Kot, Plasma, Gehirn und Milz. Zusätzlich wurden klappennahe Herzquerschnitte semiquantitativ mittels histopathologischer Bewertung in Hämatoxylin-Eosin-Färbung und quantitativ durch automatisierte Auswertung von Pikrosiriusrot-gefärbten Schnitten auf Hinweise für Mo-Toxizität untersucht. Außerdem erfolgte aus Plasmaproben der Ein-Monats-Kohorte die laborchemische Analyse von Nieren- und Leberschädigungsparametern sowie regelmäßige Gewichtskontrollen aller Ratten.
Ergebnisse
Mo-TME zeigten ex-vivo und in-vivo bis zwei Wochen nach Implantation eine vergleichbare elektrophysiologische Funktionalität wie Stahl-TME. Einen Monat nach Implantation waren bis auf ein Paar alle Mo-TME an der Thoraxaustrittsstelle gebrochen, sodass sie ihre Funktionalität verloren hatten.
Makroskopisch zeigten sich an den Mo-Oberflächen ab der ersten Woche nach Implantation Anzeichen der beginnenden Degradation. Hierbei war ein verzögerter Beginn an beschichteten Abschnitten beobachtbar, was eine anfänglich gute Feuchtigkeitsisolierung des Mo unterstrich. Die Oberflächenfärbung nach einem Monat ließ auf eine maximale Dicke der Degradationsproduktschicht von weniger als einem Mikrometer schließen, was sich im metallmikroskopischen Querschnitt als fehlende Darstellbarkeit widerspiegelte. Die fortschreitende Degradation der Polymerbeschichtung war gut nachvollziehbar und erreichte erwartungsgemäß nicht die vollständige Resorption.
In Zellkulturen mit Mo-haltigem Medium konnte keine relevante Toxizität an HCM oder HCF bei Mo-Konzentrationen von 0,52 mM oder weniger gezeigt werden.
Bei der Untersuchung der Mo-Verteilung in-vivo stellte sich einzig einen Monat nach Implantation in den Leberproben der Versuchsgruppe ein signifikanter Anstieg der Mo-Menge dar. In Proben lokalen Herzgewebes, lokaler Haut, Niere, Urin, Kot, Plasma, Gehirn und Milz konnte kein signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen gezeigt werden. Laborchemisch konnten im Plasma weder erhöhte Leber- noch Nierenschädigungsparameter nachgewiesen werden.
In der histologischen Untersuchung von Herzquerschnitten konnten bis einen Monat nach Implantation keine relevanten Anzeichen für Mo-Toxizität festgestellt werden und die Gewichtsverläufe der untersuchten Ratten blieben im Beobachtungszeitraum stabil.
Schlussfolgerung
In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Mo-TME des verwendeten Designs im klinisch relevanten Zeitraum eine gute Funktionalität beibehielten.
Das Mo zeigte im Beobachtungszeitraum erst beginnende Degradationszeichen, während diese bei der Polymerbeschichtung fortgeschrittener waren. Für eine entsprechend der klinischen Stahl-TME-Komplikationsmeldungen angestrebte vollständige Degradation innerhalb eines Jahres scheint die beobachtete Mo-Degradationsverzögerung durch die Polymerbeschichtung grundsätzlich geeignet.
Auch in Bezug auf die Biokompatibilität von Mo zeigten die vorliegenden Untersuchungen vorteilhafte Ergebnisse. Insgesamt erscheinen die bisherigen Untersuchungsergebnisse vielversprechend für die Entwicklung resorbierbarer Mo-TME, um die Sicherheit für herzchirurgische PatientInnen im postoperativen Zeitraum weiter zu erhöhen.:INHALTSVERZEICHNIS I
ABKÜRZUNGSVERZEICHNISI V
ABBILDUNGSVERZEICHNIS V
TABELLENVERZEICHNIS VI
1. Einleitung 1
1.1. Postoperative Arrhythmien 1
1.2. Nutzung von TME 2
1.3. Komplikationen beim Einsatz von herkömmlichen Stahlelektroden 4
1.4. Resorbierbare Herzschrittmacherelektroden 5
1.5. Bioresorbierbare Metalle 5
1.6. Biokompatibilität von Mo 6
1.7. Resorbierbare Polymere als TME-Beschichtung 8
1.8. Parameter der Elektrodenfunktionalität 9
1.9. Fragestellungen 10
2. Material 12
2.1. Geräte 12
2.2. Zellkultur 13
2.3. Pharmaka, Chemikalien und Assays 13
2.4. Puffer und Lösungen 15
2.5. Software 15
2.6. Sonstiges 16
3. Methoden 17
3.1. Tierschutz 17
3.2. TME Demonstratoren 17
3.3. Ex-vivo Langendorff Rattenherz Modell 19
3.4. Elektrophysiologische Untersuchungen 20
3.5. In-vivo Studiendesign 21
3.6. Chirurgische Elektrodenimplantation 22
3.7. Explantation und Organentnahme 24
3.8. Untersuchung der explantierten Elektroden 24
3.8.1. Degradationsscore der Mo-Oberfläche 25
3.8.2. Degradationsscore der Polymerbeschichtung 25
3.8.3. Mikroskopische Untersuchung von Mo-TME-Querschnitten 26
3.9. Histologie 27
3.10. Organpräparation und Mo-Messungen 28
3.10.1. Homogenisierung 28
3.10.2. Proteinbestimmung 28
3.10.3. Emissionsspektrometrische Mo-Messung 29
3.11. Laborwertbestimmung 29
3.12. Zellkulturen 29
3.13. In-vitro Zytotoxizität 30
3.14. Datenanalyse und statistische Auswertung 30
4. Ergebnisse 32
4.1. Elektrophysiologische Funktionalität ex-vivo 32
4.2. Elektrophysiologische Funktionalität in-vivo 33
4.2.1. Elektrophysiologische Funktionsparameter eine Woche nach Implantation 34
4.2.2. Elektrophysiologische Funktionsparameter zwei Wochen nach Implantation 35
4.2.3. Elektrophysiologische Funktionsparameter ein Monat nach Implantation 36
4.3. Degradation der Mo-TME in-vivo 37
4.3.1. Mo-Degradation 38
4.3.2. Polymer-Degradation 39
4.3.3. Mikroskopische Evaluation von Mo-TME-Querschnitten 40
4.4. In-vitro Zytotoxizität 40
4.5. In-vivo Mo-Gehalt 41
4.6. Laborwerte nach einem Monat 43
4.7. Histologie 44
4.7.1. Übersicht mittels HE-Färbung 44
4.7.2. Vergleich des Kollagenanteils 45
4.8. In-vivo Gewichtsentwicklung 46
5. Diskussion 47
5.1. Resorbierbare TME 47
5.2. Mo als Werkstoff für resorbierbare Implantate 48
5.2.1. Mechanische und elektrophysiologische Eigenschaften 48
5.2.2. In-vivo Degradation 49
5.2.3. Biokompatibilität 51
5.3. Resorbierbare Polymere PLGA und PCL 53
5.4. Limitationen 54
5.5. Ausblick 55
5.6. Schlussfolgerung 56
6. Zusammenfassung 58
6.1. In deutscher Sprache 58
6.1.1. Hintergrund 58
6.1.2. Material und Methoden 58
6.1.3. Ergebnisse 59
6.1.4. Schlussfolgerung 59
6.2. In englischer Sprache 61
6.2.1. Background 61
6.2.2. Material and Methods 61
6.2.3. Results 62
6.2.4. Conclusion 62
7. Literaturverzeichnis 63
8. Danksagung 75
9. Erklärungen 76
9.1. Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 76
9.2. Erklärung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben im Rahmen der Dissertation 7
Etablierung und experimentelle Analyse von Vitalgewebskulturen der Aortenklappe in mikrophysiologischen Systemen
No full textHintergrund:
Die kalzifizierende Aortenklappenstenose (Calcific Aortic Valve Disease [CAVD]) stellt nach wie vor ein bedeutendes Gesundheitsrisiko des 21. Jahrhunderts dar. Aufgrund des demographischen Wandels ist von einem weiterwachsenden Patientenstamm auszugehen. Für die Begründung neuartiger Therapie- und Präventionskonzepte ist ein umfängliches Verständnis der komplexen Pathophysiologie von Relevanz. Bisher fanden in der Forschung hauptsächlich in vitro Zellkulturen und in vivo Tiermodelle Anwendung, weisen allerdings unterschiedliche Modell-inhärente Limitationen auf. Zellkulturmodelle sind nur begrenzt in der Lage, Zell-Zell sowie Zell-Extrazellularmatrix (EZM) Interaktionen abzubilden. Weitere Limitationen zeigen sich in der Modellierung von biochemischen und biomechanischen Einflussfaktoren. In vivo Kleintiermodelle weisen hingegen häufig eine vom Menschen abweichende Mikroanatomie auf, während Großtiermodelle sich als organisatorisch anspruchsvoll und kostenintensiv darstellen. Zudem besteht nur begrenzt die Möglichkeit einer spontanen oder induzierten CAVD-Induktion. In der Folge gewannen mikrophysiologische Systeme (MPS), die auch als lab-on-a-chip oder organ-on-a-chip Modelle bekannt sind, zunehmend an Relevanz. MPS können verschiedene Modelleigenschaften des komplexen Aortenklappen (AK)-Mikromilieus nachstellen, wie beispielsweise biomechanische oder biochemische Einflussgrößen. Systemkomponenten wie Rollenpumpen oder Rotationsviskosimeter sind in der Lage, das Kulturmedium in Bewegung zu setzen und physiologische Scherkräfte zu erzeugen. Andere MPS erlauben die Modellierung einer Aortenklappendehnung oder Gewebehypoxie. Anstelle von Zellkulturen findet häufig integres Gewebe der Aortenklappe (AK) Verwendung, wodurch sich Zell-Zell und Zell-EZM Interaktionen modellieren lassen.
Hypothese:
Das Ziel dieser Arbeit war die Etablierung eines neuartigen MPS intermediärer Skalierung für die Langzeitinkubation porcinen (pAK) sowie erstmals humanen Aortenklappengewebes
(hAK). Dazu hatten sowohl Konzeptionierung, Umsetzung und Anpassung der technischen MPS-Komponenten, der Umgang mit nativen pAK und hAK-Gewebezuschnitten sowie ein strukturiertes Endpunktregime umgesetzt zu werden. Besondere Herausforderungen der Etablierung stellten die Prävention von Kontaminationen, die Überwachung der Gewebeviabilität sowie die Untersuchung möglicher Veränderungen der EZM-Komposition dar.
Material und Methoden:
Das neu entwickelte MPS beruht auf einem Modularsystem, das sich aus einer Gewebsinkubationskammer (GIK), einem pneumatischen Pumpchip und einer druckluftbetriebenen Steuereinheit zusammensetzt. Der pneumatische Pumpchip erlaubt einen gerichteten pulsatilen Volumenstrom des Kulturmediums. Für die Umsetzung wurde eng mit dem Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden zusammengearbeitet. Es wurden zwei verschiedene pneumatische Pumpchips verwendet, ein Chip mit kleiner Pumpkammer, der bereits in vorangegangenen Ansätzen derselben Arbeitsgruppe genutzt wurde und ein Chip mit vergrößerter Pumpkammer, um Flussraten und Scherkräfte an das physiologische Niveau anzugleichen. Die Pumpfrequenz sowie der Pumpdruck wurden über die MPS-Kontrolleinheit eingestellt. An den Pumpchip wurde die GIK angeschlossen, in deren Inneres eine pAK oder hAK-Probe von 3 x 5 mm² eingenäht wurde. Die pAK-Proben wurden von einem lokalen Schlachthaus bezogen, während die humanen AK
im Anschluss an den offenchirurgischen AK-Ersatz in derselben Klinik genutzt werden
konnten. Im Anschluss an die System- und Protokolletablierung wurden drei unabhängige Versuchsansätze durchgeführt. AK-Zuschnitte porcinen Ursprungs wurden über eine Dauer von 14 Tagen bei einem GIK-Innendurchmesser von 6 mm, beziehungsweise 28 Tagen bei 4 mm Innendurchmesser inkubiert. Im Gegensatz zu hAK-Zuschnitten waren pAK-Proben aufgrund der geringeren Heterogenität vorteilig für den Etablierungsprozess. Im Ansatz mit humanen Proben wurden die Zuschnitte über 26 Tage bei einem Innendurchmesser von 6 mm inkubiert. Für jede Versuchsdurchführung fanden die vier Interventionsarme dynamisch high-flow mit großem Pumpchip, low-flow mit kleinem Pumpchip sowie jeweils eine statische und eine Totzellkontrolle Anwendung. Es wurden jeweils mindestens drei biologisch unabhängige Gewebedonatoren verwendet. Um die Gewebeviabilität sowohl während der Versuchsansätze als auch histologisch im Anschluss an die Inkubation untersuchen zu können, wurde ein Protokoll zur bimodalen Viabilitätsuntersuchung etabliert und auf die Modellparameter validiert. Das Resazurin- Reduktionsassay (RR-Assay) wurde alle 24 bis 48 Stunden durchgeführt und erlaubte neben einer experimentbegleitenden Kontrolle der Gewebeprosperität eine Validierung möglicher Kontaminationen. Nach dem Versuchsansatz wurden die AK-Zuschnitte gefrierfixiert und mithilfe einer Lactatdehydrogenase (LDH)-Viabilitätsfärbung angefärbt, um im Gewebequerschnitt viable von abgestorbenen Arealen zu unterscheiden. Gleichzeitig wurden histologische Färbungen angeschlossen, um die EZM-Komposition zu analysieren.
Ergebnisse:
Über einen Zeitraum von bis zu 28 Tagen und damit bis zur geplanten Beendigung der Versuchsansätze konnte Aortenklappengewebe dynamisch pulsatil im neu entwickelten MPS unter Erhalt der Sterilität inkubiert werden. Das RR-Assay zeigte nach 14-tägiger dynamischer high-flow Inkubation von pAK-Zuschnitten eine statistisch signifikant höhere Viabilität im Vergleich zum low-flow Interventionsarm sowie den statisch inkubierten Proben. Die Viabilitätsunterschiede stellten sich in der Auswertung des Versuchsansatzes mit einer Inkubationsdauer von 28 Tagen als nicht signifikant dar. Die hAK-Proben wiesen nach 26-tägiger dynamischer oder statischer Inkubation keinen statistisch signifikanten Viabilitätsunterschied auf. In der LDH-Viabilitätsfärbung zeigte sich ein statistisch signifikanter Vorteil in den pAK-Zuschnitten nach 14 Tagen dynamischer high- und low-flow Inkubation, der im Versuchsansatz über die Inkubationsdauer von 28 Tagen nicht nachweisbar war. Die humanen Proben wiesen keine statistisch signifikanten Unterschiede der Viabilität nach 26-tägiger Inkubation auf, zeigten allerdings innerhalb der Interventionsarme eine ausgeprägte Heterogenität. Die Analyse der EZM ergab eine Massereduktion und Gewebekontraktion der pAK-Proben und unveränderte hAK-Zuschnitte. Zudem zeigten pAK-Proben eine statistisch signifikante Erhöhung des Kollagengehaltes bei Konservierung von Glykosaminoglykanen und Elastinfasern sowie der physiologischen AK-Dreischichtung. Im Speziellen die Erhöhung des Kollagengehaltes in Kombination mit der Massereduktion und Gewebekontraktion repräsentieren Parallelen zur CAVD. Die hAK-Zuschnitte zeigten eine signifikant geringere Zellzahl im Vergleich zu pAK sowie eine stark abweichende Kalzifizierung auf.
Schlussfolgerungen:
Die Einführung eines neuartigen MPS intermediärer Größe erlaubte die dynamisch pulsatile Langzeitkultivierung porciner AK-Zuschnitte sowie erstmals humaner AK-Proben. Im
Speziellen die dynamische Kultivierung von humanem, vorerkranktem Gewebe stellt eine relevante Weiterentwicklung gängiger CAVD-Modelle bei gleichzeitiger biomechanischer Stimulation des Gewebes dar. Neben der Modelletablierung konnte zudem ein Endpunktregime vorgestellt werden, das eine belastbare Kontrolle der Gewebeviabilität sowie eine Analyse der EZM-Komposition und Transformation erlaubt. Die Entwicklung einer CAVD-ähnelnden EZM-Komposition in den pAK-Proben sowie die Verwendung von vorerkrankten hAK erlauben die perspektivische Testung verschiedener Einflussfaktoren auf die CAVD-Pathogenese. Neben variierender Biomechanik in Form von hydrodynamischem Druck und Scherkräften könnte im Besonderen die Testung möglicher pharmakologischer Kandidaten zur CAVD-Prävention und Therapie von Interesse sein. Die biomechanische Stimulation ist künftig weitergehend dem physiologischen Niveau anzunähern, indem Flussraten und daraus resultierende Scherkräfte erhöht werden. Zudem ist eine Ausrichtung des AK-Zuschnittes orthogonal zur Flussrichtung geplant, um Klappenkoaptation, Gewebedehnung und seitenspezifische Scherkräfte abzubilden.:1. Verzeichnis verwendeter Abkürzungen 4
2. Publikationsverzeichnis 6
3. Einleitung 7
3.1 Anatomie der Aortenklappe 7
3.2 Aortenklappenstenose 9
Epidemiologie der Aortenklappenstenose 9
Klinik der Aortenstenose 11
Therapie der Aortenstenose 13
Pathophysiologie der Aortenstenose 16
3.3 Konzepte für Modellsysteme der Aortenstenose 17
3.4 Etablierung eines neuartigen mikrophysiologischen Systems 21
4. Material & Methoden 21
4.1 Materialien 22
Biologisches Gewebe 22
MPS – modulares System 23
4.2 Methoden 29
MPS-Vitalgewebskultur 29
Endpunktanalysen der Viabilität und der EZM-Umstrukturierung 34
Statistische Auswertung 46
5. Ergebnisse 47
5.1 Konzeptionierung des MPS 47
5.2 Fließgeschwindigkeit und Scherkraft 48
5.3 Viabilitätsassessment 49
LDH-Membranintegritätsassay 49
Resazurin-Reduktions-Assay 50
LDH-Viabilitätsfärbung von AK-Gewebsschnitten nach MPS-GIK Kultur 59
5.4 Histologische Untersuchung porciner und humaner Gewebeschnitte 65
Histologische Analyse porciner Aortenklappenzuschnitte 65
Histologische Analyse humaner Aortenklappenzuschnitte 80
6. Diskussion 89
Modellsysteme zur Erforschung der CAVD-Pathophysiologie 89
Entwicklung eines neuartigen MPS 92
Biomechanische Simulation im neuartigen MPS 94
Bimodale Viabilitätsbestimmung von AK-Zuschnitten während und im Anschluss an die
Langzeitkultur 96
Morphologie und EZM-Komposition von Aortenklappengeweben nach MPS-
Langzeitkultur 103
7. Studienlimitationen 111
8. Outlook 112
9. Zusammenfassung 116
10. Referenzen 117
11. Genderinklusive Kommunikation in Sprache und Bild 131
12. Danksagung 132
13. Abbildungsverzeichnis 133
14. Anlagen 140
Chemikalien und Verbrauchsmaterial 140
Geräte 145
Software 146
15. Kurzzusammenfassung 147
Hintergrund 147
Hypothese 147
Material und Methoden 148
Ergebnisse 148
Schlussfolgerungen 149
16. Abstract 150
Background 150
Hypothesis 150
Material and Methods 150
Results 151
Conclusion 152
17. Anlagen 153
Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 153
Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben 15
How to Simulate Bigraphs Using GrGen.NET: Via GrShell or C# (libGr)
No full textDie Präsentation zeigt, wie sich Bigraphen mithilfe von GrGen.NET simulieren lassen. Ausgehend von einer Bigraph-Rewriting-Spezifikation (BRS) werden in einem dreistufigen Workflow zunächst Reaktionsregeln und ein Anfangsgraph modelliert, anschließend mit dem Tool BiGGer in ein GrGen.NET-kompatibles Format überführt und schließlich mittels GrShell oder in C# ausgeführt. Der Vortrag illustriert diesen Ablauf anhand des „Concurrent Append“-Beispiels und gibt einen Überblick über die Bigraph Toolkit Suite, die eine modellbasierte, verteilte und erweiterbare Softwareentwicklung für reaktive Systeme ermöglicht.The presentation demonstrates how to simulate bigraphs using GrGen.NET. Starting from a Bigraph Rewriting System (BRS) specification, a three-step workflow is followed: modeling reaction rules and an initial graph, transforming them using the BiGGer tool into a GrGen.NET-compatible format, and executing them via GrShell or in C#. The talk illustrates this process using the 'Concurrent Append' example and provides an overview of the Bigraph Toolkit Suite, which supports model-based, distributed, and extensible software development for reactive systems
Genetic Engineering on Polycyclic Tetramate Macrolactam Biosynthetic Gene Clusters
No full textNatural products (NPs) are an inexhaustible source of bioactive compounds. Most small molecules in clinical use are NPs or their derivatives, with bacterial secondary metabolites making up a crucial share. Two major classes of NPs are polyketides (PKs) and non-ribosomal peptides (NRPs), which are biosynthesized by mega-enzymes called PK synthases (PKSs) and NRP synthetases (NRPSs), respectively. The group of polycyclic tetramate macrolactams (PoTeMs) encompasses nearly 100 members and is produced by a hybrid iterative PKS/NRPS system. The biosynthetic precursor of all PoTeMs is identical and consists of two unsaturated chains, connected to the amino groups of a former L-ornithine unit that is cyclized to a tetramic acid moiety. The side chains are employed in cyclization reactions catalyzed by flavin-dependent phytoene dehydrogenase homologs (PhyDHs) and nicotinamide-cofactor-dependent alcohol dehydrogenase homologs (ADHs), resulting in a broad spectrum of PoTeM carbacyclic systems containing one to three rings. Ikarugamycin is an important representative of PoTeMs and was first isolated from Streptomyces phaeochromogenes var. ikaruganensis Sakai. The biosynthesis of its complex structure is accomplished by only three enzymes: the hybrid PKS/NRPS IkaA, the PhyDH homolog IkaB, and the ADH homolog IkaC.
The continuous development and spread of resistance necessitate the ongoing discovery of novel compounds. Ikarugamycin was selected as a model compound in this dissertation to explore various biological derivatization strategies. Initially, its heterologous production by fermentation was optimized by screening various expression plasmids, recombinant Streptomyces host strains, and fermentation conditions. Additionally, a versatile plug-and-play system for the heterologous expression of PoTeM biosynthetic gene clusters (BGC) was developed. This system includes the PoTeM core biosynthetic gene (ikaA) under the control of a strong constitutive promoter to enable reliable production of the common PoTeM precursor molecule. For the investigation of novel PoTeM BGCs, only the comparably small cyclizing and modifying genes need to be added upstream or downstream to a preinstalled second promoter, which is further facilitated by unique restriction sites. The system was successfully applied for the reconstitution of the ikarugamycin biosynthesis by adding the cyclizing enzymes IkaB and IkaC. Furthermore, the effects of the related monooxygenases IkaD and CftA as well as the hydroxylase PtmD on ikarugamycin were investigated. The plug-and-play system enabled the fast cloning of both cyclizing and modifying genes. Furthermore, the yields of the desired products enabled compound isolation and structural elucidation by NMR. However, it was observed that different second promoters were differently suited for the various modifying enzymes which shows that the screening of various promoters can be beneficial.
In addition to the derivatization of ikarugamycin by introducing additional genes to its BGC, the core biosynthetic gene (ikaA) was mutated to utilize L-lysine instead of L-ornithine as a building block. The NRPS part, particularly the adenylation (A) domain of IkaA, is responsible for the amino acid selection. Thus, the A domain was engineered using site-directed point mutations at its active site. Various mutation patterns were designed to replicate the active site of L-lysine-activating A domains. An in vitro A domain activity assay revealed that the exchange of two amino acids was sufficient to switch its selectivity to L-lysine. The in vivo expression of the mutated ika BGC led to the first L-lysine-based PoTeM – homo-ikarugamycin. Since the biosynthetic precursor of all PoTeMs is identical, the mutated IkaA in combination with further cyclizing enzymes potentially gives access to a completely new subgroup of L-lysine-based PoTeMs
Unlocking the Potential of Historical Aerial Imagery for the Antarctic Peninsula: Automating 3D Reconstruction using Py-thon and MicMac
No full textThe US Geological Survey (USGS) has made available a vast collection of historical aerial imagery from Antarctica, known as the TMA archive, captured by the U.S. Navy between 1946 and 2000. Our project aims to leverage this valuable resource to generate Digital Elevation Models (DEMs) of the region, enabling us to assess long-term changes in ice elevation on the Antarctic Peninsula. To achieve this, we employ Structure from Motion (SfM), a photogrammetric technique that constructs 3D structures from two-dimensional images by iden-tifying tie-points between them
High-resolution aerial imagery for early detection of climate-induced natural hazards at a mountain range scale
No full textThe rise in temperatures and rainfall due to climate change is expected to lead to higher rates and magnitudes of geomorphic processes. To better understand these changes, our study used high-resolution aerial imagery to analyse spatiotemporal patterns of topographic changes across the Zillertal Alps, a mountain range on the border of Austria and Italy