Hochschulbibliothekszentrum des Landes Nordrhein-Westfalen
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Bewegungskorrektur basierend auf 3D-Dekonvolution und Segmentierung basierend auf Texturalen Eigenschaften zur Optimierung der Tumorsegmentierung in der Positronen Emissions Tomographie
No full textBewegung und daraus resultierende Bewegungsartefakte während einer PET-Aufnahme
beeinträchtigen die quantitative (kleine Läsionen könnten übersehen werden) und qualitative (das
Volumen der Läsion überschätzt, im Gegensatz dazu die Intensität bzw. der Uptake unterschätzt)
Beurteilbarkeit. Unser entwickelter Bewegungskorrekturalgorithmus greift auf routinemässig
aufgenommene Bilder zurück und liefert deutlich verbesserte und genauere Darstellungen der
Traceranreicherung. Bei 3D Modellierung und Dekonvolution in 3D konnten Veränderungen im
Tumorvolumen bis zu 33,3% erzielt werden und in den Phantomstudien sogar bis zu 49% Volumen-
Verbesserung.
Ein weiterer Entwicklungsschritt in den letzten Jahren war die Etablierung textural basierter Analysen
von PET-Bildern. Wir nutzen diese Heterogenität innerhalb des Tumors in der PET-Bildgebung für die
Entwicklung von Algorithmen zur Tumorsegmentierung. Unsere entwickelten
Segmentierungsalgorithmen lieferten gute Ergebnisse. Die Segmentierung basierend auf der Entropie
lieferten in der Phantomstudie die besten Resultate, der KU-basiert und LE-basiert sowie der
Grenzwertbasierte Algorithmus konnten alle (bis auf 1 Ausnahme) Patienten-Läsionen gut
segmentieren. Alle segmentierten Volumina korrelierten sehr gut mit den pathologischen Volumina.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit somit zwei wichtige Limitierungen für die PET-Bildgebung,
die Bewegungsunschärfe und die Segmentierung von Läsionen für die FDG-PET/CT bei Patienten mit
Lungenkarzinomen bearbeitet und entsprechende Korrekturalgorithmen entwickelt, die erfolgreich
anhand von Phantom- und Patientendatensätzen validiert werden konnten. Im nächsten Schritt
müssen diese Algorithmen Einzug in grössere, ggf. prospektive klinische Studien finden.Positron Emission Tomography (PET) is becoming more and more important in clinical routine
applications. One of the major limitations is the sensitivity to patient motion especially in the thorax
to periodic respiratory movement. Another open point of discussion is the method how to define the
tumor volume, especially when the precise knowledge of the tumor borders is important as in
radiation treatment planning. Therefore, in this work these two topics to improve quantification in
PET imaging have been addressed. First a new motion correction algorithm was implemented using
image deblurring including movement information of a 4D Computed Tomography (CT). This method,
which has the advantage of not increasing the PET acquisition time as other motion correction
techniques, was applied to phantom and patient data and showed promising result in improvement of lesion quantification. In phantom studies an improvement of up to 49% in lesion volume and in
patient studies of up to 33.3% could be demonstrated.
In the second part of this work, a new segmentation method based on textural parameters was
implemented and validated as well in phantom and patient data. In the latter a validation with
histopathological data was performed showing a very good performance of the new algorithms,
especially in larger lesions. Best result could be shown in phantom data and patient data for the
segmentation algorithm based in the local entropy.
In summary, two algorithms were implemented and validated which can improve quantification of
PET imaging furthermor
Mathematisches Argumentieren im Blick? Kompetenzerwerb angehender Mathematiklehrkräfte in Schulpraxisphasen
No full textDie vorliegende Studie untersuchte den Kompetenzerwerb angehender Mathematiklehrkräfte in Rheinland-Pfalz in deren letzter Praktikumsphase, dem Vertiefenden Praktikum, vor Eintritt in den Vorbereitungsdienst.
Um den Lernfortschritt der Studierenden zu erfassen, wurde ein Pre-/Posttest-Vorgehen gewählt, bei dem die Teilnehmer 5 kurze Unterrichtssequenzen in einem Online-Fragebogen analysierten und anschließend Fragen zum mathematischen Argumentieren beantworteten. Damit bildete die Testung einen zentralen Praktikumsinhalt ab, das Beobachten und Reflektieren von Fachunterricht. Alle Videosequenzen waren auf Aspekte mathematischen Argumentierens im Unterricht hin ausgerichtet. Mathematisches Argumentieren beschreibt nicht nur eine der in den Bildungsstandards und in den Lehrplänen für das Fach Mathematik festgeschriebenen allgemeinen Kompetenzen, sondern geht in seiner fundamentalen Bedeutung für die Mathematik und den Mathematikunterricht noch über die der anderen allgemeinen Kompetenzen hinaus.
In der Testgruppe wurden in den Jahren 2022 und 2023 in 4 Praktikumszeiträumen insgesamt 54 Praktikantinnen und Praktikanten jeweils zu Beginn und am Ende ihres Vertiefenden Praktikums befragt. Die Kontrollgruppe bildeten 28 Studierende der Mathematik, die in einem Abstand von 3 Wochen ebenfalls zweimal befragt wurden, ohne dass zwischenzeitlich ein Schulpraktikum durchlaufen wurde. Die erhobenen Datensätze, die im Kern aus Freitextantworten bestehen, wurden nach dem Verfahren einer qualitativen Inhaltsanalyse ausgewertet. Zusätzlich wurde die hierbei auftretende interpretatorische Unsicherheit durch eine Rückwärtstestung minimiert. So konnten für jeden Befragten die Quantität und die Qualität der Videoanalyse sowie das Wissen und Verständnis zum mathematischen Argumentieren bei beiden Testungen ermittelt und miteinander verglichen werden.
Im Ergebnis bestätigt die Studie vorhergehende Erkenntnisse hinsichtlich der Wahrnehmung von Unterricht durch Experten und Novizen und auch zum grundsätzlichen Wissenszuwachs durch Praxisphasen. Zusätzlich zeigt sich in der Studie ein sowohl quantitativ als auch qualitativ verbessertes Antwortverhalten nach dem Praktikum und die Testteilnehmer konnten insbesondere fundierter Aspekte des Argumentierens in den Unterrichtsausschnitten identifizieren und deren Bedeutung für guten Mathematikunterricht begründen. Bei Unterrichtssituationen ohne große Dynamik gelang dies allerdings besser als bei Unterrichtssituationen mit großer Dynamik, die beispielsweise durch Gesprächssituationen
entstehen. Ergänzend konnte ein vertieftes Verständnis der Kompetenz `Mathematisch argumentieren´ nach dem Praktikum nachgewiesen werden und es zeigte sich, dass dieses fachdidaktische Wissen beim Posttest stärker mit der Fähigkeit zur Videoanalyse korreliert als vor dem Praktikum.
Die Effekte zeigten sich ausschließlich bei der Testgruppe, nicht aber bei der Kontrollgruppe ohne Praktikum.This study investigated the acquisition of skills by future maths teachers in Rhineland-Palatinate during
their final internship phase before entering the so-called `Vorbereitungsdienst´, a kind of in-depth in-
ternship/ practical training.
In order to record the students' learning progress, a pre/post-test approach was chosen in which the
participants each analysed five short teaching sequences in an online questionnaire and then answered
questions on mathematical argumentation. So the test reflected a central content of the internship,
the observation and reflection of maths lessons.
All video sequences were focussed on aspects of mathematical argumentation in the classroom. Ma-
thematical reasoning not only describes one of the general competences laid down in the educational
standards and curricula for the subject of mathematics, but also goes beyond the other general com-
petences in terms of its fundamental importance for mathematics lessons.
In the test group, a total of 54 trainees was surveyed at the beginning and at the end of their in-depth
internship in four internship periods in 2022 and 2023. The control group consisted of 28 student tea-
chers of mathematics, who were also surveyed twice at 3-week intervals without completing a school
placement in the meantime.
The collected data sets, which essentially consist of free text responses, were analysed using the qua-
litative content analysis method. In addition, the interpretative uncertainty that arises here was mini-
mised through backward testing. In this way, the quantity and quality of the video analysis as well as
the knowledge and understanding of mathematical argumentation could be determined and com-
pared for each respondent in both tests.
As a result, the study confirms previous findings regarding the perception of teaching by experts and
novices and also the fundamental increase in knowledge through practical phases. In addition the
study shows that both quantitative and qualitative response behaviour improved after the practical
training and the test participants were able to identify aspects of argumentation in the lesson excerpts
and justify their importance for good mathematics teaching. This was more successful in teaching si-
tuations that are not very dynamic than in teaching situations that are very dynamic, such as those
arising from conversational situations. In addition, a deeper understanding of the competence `ma-
thematical argumentation´ could be demonstrated after the internship and it could be seen that the
didactic knowledge and the ability to analyse videos correlate more strongly with each other in the
post-test than in the pre-test.
The effects described were only evident in the test group, but not in the control group without the
work placement
Elucidation of the Relationships between the Biotransformation of Micropollutants in Biological Treatment Processes, the Process Conditions, and the Composition of Microbial Communities
No full textWater is the basis of all life, a biotope for a variety of organisms and an important component of the
natural balance. For this reason, it is essential to protect water from contamination by anthropogenic
organic micropollutants (MPs) and to develop various innovative strategies for the treatment and reuse
of wastewater. Conventionally biologically treated municipal wastewater contains many organic MPs
that pose a potential threat to aquatic ecosystems and drinking water resources. To date, the focus has
been on physicochemical processes such as activated carbon treatment or ozonation to improve the
removal of MPs in wastewater treatment plants (WWTPs), while knowledge of biological removal
processes and ways to optimize the biological removal of organic MPs is comparatively limited.
Especially in arid and semi-arid regions, treated wastewater is also an important resource for wastewater
reuse for irrigation or drinking water treatment. In consequence of increasing droughts due to climate
change, the reuse of treated wastewater is also increasingly being discussed in Germany. Often the water
is reused after targeted groundwater recharge, while concepts for optimizing the removal of MPs during
soil passages are still scare. In order to assess the potential and limitations of biological wastewater
treatment as well as targeted groundwater recharge for the removal of organic MPs, a better knowledge
of the biological biotransformation processes and the environmental conditions influencing them is
required. Microbial communities and their enzyme pools play a key role in these processes. However,
the influence of environmental conditions on the composition and functional characteristics of microbial
communities, and how this in turn affects the biotransformation potential of MPs with different
structural characteristics, has been little studied. In addition, knowledge about MP-biotransforming
bacteria is often derived from enrichment or even pure culture studies, which are not directly transferable
to the environment.
Against this background, this dissertation focuses on the systematic investigation of the
biotransformation of MPs in contact with activated sludge (simulation of biotransformation processes
in biological treatment stages of WWTPs) and filter materials (simulation of processes in groundwater
recharge systems) under defined laboratory conditions. The aim is to elucidate relationships between
the composition and functional characteristics of microbial communities, microbiologically determined
biotransformation processes and their optimal process conditions, as well as the chemical structure and
primary enzymatically catalyzed biotransformation reactions of MPs.
The first part of the work focuses on the composition of microbial communities and the
biotransformation of MPs depending on defined process parameters in five differently operated
wastewater reactors, divided into two reactor cascades at pilot scale and one full-scale WWTP. The first
cascade consisted of three reactors, the first of which served as a reference reactor with conventional
activated sludge (CAS) treatment. The following reactors operate under anoxic to anaerobic and strictly
anaerobic conditions, respectively. The other cascade consists of two reactors, the first anaerobic and the second aerobic, followed by a simplified vessel to prevent nitrate output, as half of the effluent was
recirculated to the first anaerobic reactor. All five reactors and the WWTP were analyzed for the
biotransformation of 33 MPs and the composition of the microbial community by LC-MS/MS and 16S
rRNA gene sequencing, respectively. The results showed a slight but significant improvement in the
overall biotransformation of MPs in the reactor cascades (about 20%) compared to the WWTP. In
particular, the biotransformation of compounds that are not or only slightly degradable (< 30%) in
conventional wastewater treatment, such as diatrizoate, venlafaxine and diclofenac, was significantly
improved (about 70%). Twelve of the 33 MPs showed an increase in biotransformation of at least 30%
compared to the reference reactor and the WWTP. In detail, the reactor cascade consisting of the
anaerobic pre-treatment showed three times more MPs than the reactor cascade with the anaerobic post-
treatment. Although the environmental conditions (nutrient availability and redox conditions) differed
considerably between the reactors, molecular analysis of the microbial community revealed a core
community of 143 genera, with 54% of the taxa belonging to the phylum Proteobacteria, with the beta
subdivision as the most dominant class. On the other hand, a specialized community consisting of 90
genera was identified that contributed most to the differences between the reactor communities. These
genera were shown to reflect the prevailing nutrient, redox and operating conditions of each treatment.
It was also found that the relative abundances of several genera of the specialized community correlated
with the biotransformation of certain MPs as well as with process parameters (especially redox
conditions). These genera may not necessarily be directly involved in the biotransformation of MPs, but
could be promising biological indicators for the establishment and control of operating conditions
favorable to the biotransformation of certain MPs. For the two reactor cascades analyzed, it was
concluded that the redox conditions as well as the carbon supply were essential factors for the
composition of the specialized community and the biotransformation of the MPs. In addition, the 16S
rRNA gene amplicon sequencing proved to be a complementary tool to confirm process conditions by
correlation. In conclusion, the efficiency of MP biotransformation in conventional WWTPs depends on
key parameters such as redox conditions, biodiversity or the presence of several genera of specialized
microbial communities identified as indicator organisms.
Against the background of previous knowledge that biofilms from moving bed biofilm reactors
(MBBRs), which have been used so far in a few WWTPs, are more efficient in biotransforming certain
MPs, the second study used laboratory batch experiments to investigate the extent to which the
biotransformation potential of carrier-attached biofilms and suspended sludge from hybrid MBBRs
differ between three WWTPs, and whether these differences were also reflected in the composition of
the bacterial communities. The 31 MPs investigated were grouped according to their biotransformation
rates and examined for relationships between the biotransformation behavior and the known primary
biotransformation reactions are discernible. In general, the study confirmed the potential of hybrid
MBBRs for improved biotransformation of a variety of MPs. This could be attributed to an increased
biotransformation potential of the carrier-attached biofilms, especially for oxidatively degradable substances such as trimethoprim, diclofenac and mecoprop. Correlation analyses showed statistically
significant relationships between the occurrence of certain bacterial genera (e.g. Acidibacter, Nitrospira
or Rhizomicrobium) and the biotransformation rates of certain MPs. Thus, some of the identified genera
were also discussed as suitable indicators for the biotransformation potential of suspended sludge or
carrier-attached biofilm.
In the third part of the work, the biotransformation of up to 78 MPs was investigated under different
redox and substrate conditions in a defined column system at laboratory scale as well as ex situ under
uniform incubation conditions by incubating the column filter material in batch experiments. MPs were
categorized based on their biotransformation behavior and how well these categories matched primary
transformation reactions known from the literature or predicted using the Eawag pathway prediction
system for modelling microbial biotransformation pathways. The column system investigated consisted
of two large columns filled with technical sand, an intermediate aeration and four smaller columns, all
connected in series. In the first column, characterized by a carbon-rich environment with high biomass
and strong oxygen depletion, 23 MPs were efficiently removed (>80% removal), while 19 substances
were better or exclusively removed under carbon-limited oligotrophic conditions in the columns after
re-aeration. While the MPs removed predominantly in the first column were mostly attributed to
biotransformation by comparatively ubiquitous and fast transformation reactions such as the oxidation
of alcohols or amide hydrolysis, the biotransformation of MPs removed more efficiently under the oxic
and oligotrophic conditions in the rear columns was characterized by slower transformation reactions
such as N-dealkylation of primary and secondary amines or the hydroxylation of aromatic rings. In
addition, several specific reactions described in the literature, such as the cleavage of C-Cl and C-O
bonds, could only be identified under oligotrophic conditions. The results suggest that conditions of
limited carbon availability may favor the development of alternative metabolic biotransformation
pathways. Furthermore, the observed association between system-specific MP removal and the expected
primary biotransformation reactions from the literature and prediction systems could serve as a basis for
accurately identifying the relevant enzymes in future studies, using metagenomic or metatranscriptomic
data.
Based on these considerations, molecular biological investigations were carried out in the fourth part of
this work by generating sequence-based data complementary to the biotransformation rate constants
during the batch experiments carried out in the third study. A first aim was to identify a statistical relation
between the microbial composition, the process conditions and the nutrient availability as well as the
biotransformation potential of 42 MPs depending on the biomass in the columns of the system.
Furthermore, the metabolic activities of the microbial communities of the first two columns of the
system were analyzed and the identified active enzymes were assigned to known metabolic pathways
and the activities were compared. In addition, the extent to which the biotransformation potential of the
columns was also reflected in the activity of enzymes that have been proven to belong to biotransformation pathways of MPs was investigated. To this end, modern sequencing methods were
used to generate data on the composition of the microbial community (16S rRNA gene sequencing) and
its actual activity in the form of expressed genes (metatranscriptome sequencing). The biotransformation
rates from the batch experiments of the third study were used by normalizing them with the gene copy
numbers (kbio), which were representative of the biomass. For half of the MPs, the highest normalized
kbio values were identified in the rear columns with increased carbon-limiting conditions. Furthermore,
most of the MPs investigated, such as sulfathiazole, sulfamethoxazole or rufinamide, showed an
improved biotransformation potential in these columns. The higher biotransformation potential under
carbon-limiting conditions was also confirmed by metatranscriptomic analysis, where an increased
metabolic capability and a higher functional activity to degrade MPs were observed in the carbon-
limiting column compared to the first nutrient-rich column. Taxonomic analysis revealed a decreasing
trend in biodiversity with a simultaneous increase in carbon-limiting conditions. Furthermore, the
microbial community differed depending on the nutrient and process conditions of the column materials
analyzed. However, within the carbon-limiting columns, the microbial community was similar and were
dominated by the genus Pseudomonas. By relating the biotransformation of MPs to the relative
abundance of taxa in the carbon-limiting columns, the genera of the phylum Acidobacteria and the
classes Alpha- and Gammaproteobacteria showed particularly high associations. In addition, four genera
showed a statistically positive correlation with the two structurally similar MPs sulfamethoxazole and
sulfathiazole.
Overall, no general improvement in biotransformation could be found for all MPs under the conditions
considered, with system- and condition-specific changes observed for individual compounds. However,
the studies indicated favorable environmental conditions for groups of MPs that showed increased
biotransformation linked with high abundant taxa, especially under carbon-limiting conditions and in
carrier-attached biofilms.Wasser ist die Grundlage allen Lebens, Biotop für eine Vielzahl von Organismen und ein wichtiger
Bestandteil des natürlichen Gleichgewichts. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, Wasser vor
Verunreinigungen durch anthropogene organische Spurenstoffe zu schützen und verschiedene
innovative Strategien für die Behandlung und Wiederverwendung von Abwasser zu entwickeln.
Konventionell biologisch gereinigtes kommunales Abwasser enthält viele organische Spurenstoffe, die
eine potenzielle Gefahr für aquatische Ökosysteme und Trinkwasserressourcen darstellen. Bisher lag
der Schwerpunkt auf physikalisch-chemischen Verfahren wie Aktivkohlebehandlung oder Ozonierung,
um die Entfernung von organischen Schadstoffen in Kläranlagen zu verbessern. Dabei ist das Wissen
über biologische Entfernungsprozesse und Möglichkeiten zur Optimierung der biologischen Entfernung
organischer Schadstoffe vergleichsweise gering.
Insbesondere in ariden und semiariden Regionen ist gereinigtes Abwasser auch eine wichtige Ressource
für die Wiederverwendung von Abwasser zur Bewässerung oder Trinkwasseraufbereitung. Vor dem
Hintergrund zunehmender Dürreperioden aufgrund des Klimawandels wird die Wiederverwendung von
gereinigtem Abwasser auch in Deutschland zunehmend diskutiert. Oft wird das Wasser nicht direkt,
sondern nach gezielter Grundwasseranreicherung wiederverwendet. Dabei werden Konzepte benötigt,
um die Entfernung von Spurenstoffen bei Bodenpassagen zu optimieren. Um das Potenzial als auch die
Grenzen der biologischen Abwasserreinigung sowie der gezielten Grundwasseranreicherung zur
Entfernung organischer Spurenstoffe abschätzen zu können, bedarf es insbesondere einer besseren
Kenntnis der biologischen Abbauprozesse und der sie beeinflussenden Umweltbedingungen. Eine
Schlüsselrolle nehmen dabei die mikrobiologischen Gemeinschaften und deren Enzympool ein. Der
Einfluss der Umweltbedingungen auf die Zusammensetzung und die funktionellen Eigenschaften der
mikrobiellen Gemeinschaften und die Frage, wie sich dies wiederum auf das Potential zum Abbau von
organischen Spurenstoffen mit unterschiedlichen Strukturmerkmalen auswirkt, ist bisher allerdings nur
sehr wenig untersucht. Darüber hinaus stammt das Wissen über schadstoffabbauende Bakterien häufig
aus Studien mit Anreicherungs- oder sogar Reinkulturen, die nicht direkt auf die Umwelt übertragbar
sind.
Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Dissertation im Kern mit systematischen Untersuchungen
des Abbaus von organischen Spurenstoffen in Kontakt mit Belebtschlamm (Simulation von
Abbauprozessen in biologischen Behandlungsstufen von Kläranlagen) und Filtermaterialien
(Simulation von Vorgängen bei der Grundwasseranreicherung) unter definierten Laborbedingungen.
Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung und den funktionellen Eigenschaften
mikrobieller Gemeinschaften, den mikrobiologisch determinierten Abbauprozessen und deren
optimalen Prozessbedingungen, sowie der chemischen Struktur und primären enzymatisch katalysierten
Biotransformationsreaktionen von Spurenstoffen aufzuklären. Der erste Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften
und die Biotransformation von Spurenstoffen in Abhängigkeit von definierten Prozessparametern in
fünf unterschiedlich betriebenen Abwasserreaktoren, welche auf zwei Reaktorkaskaden im
Pilotmaßstab und eine großtechnische Kläranlage aufgeteilt wurden. Die erste Kaskade bestand aus drei
Reaktoren, von denen der erste als Referenzreaktor mit konventioneller Belebtschlammbehandlung
diente. Die anderen Reaktoren liefen unter anoxischen bis anaeroben bzw. streng anaeroben
Bedingungen. Die zweite Kaskade bestand aus zwei Reaktoren, der erste unter anaeroben und der zweite
unter aeroben Bedingungen, gefolgt von einem vereinfachten Behälter zur Vermeidung eines
Nitrataustritts, da die Hälfte des Abwassers in den ersten anaeroben Reaktor zurückgeführt wurde. Alle
fünf Reaktoren und die Kläranlage wurden auf die Biotransformation von 33 Spurenstoffen und die
Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft mittels LC-MS/MS bzw. 16S rRNA-
Gensequenzierung untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine leichte, aber signifikante Verbesserung der
Gesamtentfernung der Spurenstoffe in den Reaktorkaskaden (etwa 20 %) im Vergleich zur Kläranlage.
Insbesondere die Biotransformation von Verbindungen, die in der herkömmlichen Abwasserbehandlung
nicht oder nur geringfügig abbaubar sind (< 30 %), wie Diatrizoat, Venlafaxin und Diclofenac, wurde
deutlich verbessert (etwa 70 %). Zwölf der 33 Spurenstoffe wiesen im Vergleich zum Referenzreaktor
und zur Kläranlage eine Steigerung der Biotransformation um mindestens 30 % auf. Im Einzelnen wies
die Reaktorkaskade mit der anaeroben Vorbehandlung dreimal mehr Spurenstoffe mit einem deutlich
verbesserten Abbau auf als die Reaktorkaskade mit der anaeroben Nachbehandlung. Obwohl sich die
Umweltbedingungen (Nährstoffverfügbarkeit und Redoxbedingungen) zwischen den Reaktoren
erheblich unterschieden, ergab die molekulare Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft eine
Kerngemeinschaft von 143 Gattungen, wobei 54 % der Taxa dem Stamm der Proteobakterien
angehörten und die Betaproteobacteria die dominierende Klasse darstellte. Im Gegensatz dazu wurde
eine spezialisierte Gemeinschaft aus 90 Gattungen identifiziert, die am stärksten zu den Unterschieden
zwischen den Reaktorgemeinschaften beitrug. Diese Gattungen spiegelten nachweislich die
vorherrschenden Nährstoff-, Redox- und Betriebsbedingungen der jeweiligen Behandlung wider. Es
wurde auch festgestellt, dass die relative Abundanz mehrerer Gattungen der spezialisierten
Gemeinschaft mit der Biotransformation bestimmter Spurenstoffe sowie mit Prozessparametern
(insbesondere Redoxbedingungen) korreliert. Diese Gattungen sind nicht unbedingt direkt an der
Biotransformation von Spurenstoffen beteiligt, könnten aber vielversprechende biologische Indikatoren
für die Festlegung und Kontrolle von Betriebsbedingungen sein, die für die Biotransformation
bestimmter Spurenstoffe günstig sind. Für die beiden untersuchten Reaktorkaskaden wurde festgestellt,
dass die Redoxbedingungen sowie die Kohlenstoffversorgung wesentliche Faktoren für die
Zusammensetzung der spezialisierten Gemeinschaft und die Biotransformation der Spurenstoffe waren.
Darüber hinaus erwies sich die 16S-rRNA-Gensequenzierung als ergänzende Methode zur Bestätigung
von Prozessbedingungen durch Korrelation. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Effizienz der
Biotransformation von Spurenstoffen in konventionellen Kläranlagen von Schlüssel-parametern wie Redoxbedingungen, Biodiversität sowie dem Vorhandensein mehrerer Gattungen spezialisierter
mikrobieller Gemeinschaften abhängt, die als Indikatororganismen identifiziert wurden.
Vor dem Hintergrund der bisherigen Kenntnisse, dass Biofilme von bisher in wenigen Kläranlagen
eingesetzten Schwebebett-Biofilm-Verfahren (MBBR) bestimmte organische Spurenstoffe effizienter
abbauen können, wurden in der zweiten Studie im Rahmen von Labor-Batchexperimenten untersucht,
inwieweit sich das Biotransformationspotential der Biofilme und des suspendierten Schlamms von
hybriden MBBRs aus drei Kläranlagen unterscheiden und sich diese Unterschiede auch in der
Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaften widerspiegeln. Darüber hinaus wurden die 31
untersuchten organischen Spurenstoffe hinsichtlich ihres Abbauverhaltens gruppiert und untersucht, ob
Zusammenhänge zwischen den bekannten primären Transformationsreaktionen und dem Abbau-
verhalten erkennbar sind. Im Allgemeinen bestätigte die Studie das Potenzial von hybriden MBBRs für
eine verbesserte Biotransformation einer Vielzahl von Spurenstoffen. Dies konnte auf ein erhöhtes
Biotransformationspotenzial der an den Träger gebundenen Biofilme zurückgeführt werden,
insbesondere für oxidativ abbaubare Substanzen wie Trimethoprim, Diclofenac und Mecoprop. Wie in
der ersten Studie zeigten Korrelationsanalysen statistisch signifikante Zusammenhänge zwischen dem
Vorkommen bestimmter Bakteriengattungen (z.B. Acidibacter, Nitrospira oder Rhizomicrobium) und
den Biotransformationsraten bestimmter Spurenstoffe. Einige der identifizierten Gattungen wurden
daher auch als geeignete Indikatoren für das Biotransformationspotenzial von suspendiertem Schlamm
oder trägergebundenem Biofilm diskutiert.
Im dritten Teil der Arbeit wurde die Biotransformation von bis zu 78 Spurenstoffen unter verschiedenen
Redox- und Substratbedingungen in einem definierten Säulensystem im Labormaßstab sowie ex situ
unter einheitlichen Inkubationsbedingungen durch Inkubation des Säulenfiltermaterials in Batch-
experimenten untersucht. Die Spurenstoffe wurden anhand ihres Biotransformationsverhaltens danach
gruppiert, wie gut diese Kategorien mit denen aus der Literatur bekannten oder mittels eines Systems
zur Modellierung von mikrobiellen Abbauwegen (Eawag pathway prediction system) vorhergesagten
primären Transformationsreaktionen übereinstimmen. Das u
Fortbildungsbedarfe von Sportlehrkräften hinsichtlich einer digitalisierungssensiblen Gesundheitsbildung im Sportunterricht
No full textDie qualitatitve Bedarfsanalyse untersucht die Fortbildungsbedarfe von Sportlehrkräften hinsichtlich einer digitalisierungssensiblen Gesundheitsbildung im Sportunterricht, um Schüler:innen zu einem reflektierten und gesundheitsförderlichen Umgang mit digitalen Medien zu befähigen. Die Bedarfsanalyse erfolgte mittels N=23 leitfadengestützter Interviews und zeigt, dass die befragten Sportlehrkräfte zwar Potenziale digitaler Medien erkennen, dabei die reflexive Ebene der Mediennutzung jedoch weniger präsent ist als die anwendungsorierte Ebene. Fortbildungsangebote in der Schnittstelle von Gesundheit, Sport und Digitalisierung existieren laut der befragten Lehrkräfte bislang kaum. Basierend auf den ermittelten Bedarfen wird ein modulares Fortbildungskonzept entwickelt, das ein Selbstlernmodul, ein praxisorientiertes Präsenzmodul sowie ein Online-Reflexionsmodul umfasst
Hermeneutisch-diskursiver Literaturunterricht
No full textSchülerinnen und Schülern eine wirkungsvolle Begegnung mit Literatur zu ermöglichen, stellt hohe Anforderungen an die Unterrichtsvorbereitung: Material muss ausgewählt und gestaltet, Lernaufgaben müssen vorbereitet und eingesetzt und Unterrichtsgespräche müssen antizipiert und moderiert werden. Gerade von Referendarinnen und Referendaren können die damit verbundenen Anforderungen als sehr herausfordernd – auch als überfordernd – empfunden werden.
Mit dem Ziel, den auszubildenden Lehrerinnen und Lehrern ein erstes handhabbares Instrumentarium zur Planung und Gestaltung des Literaturunterrichts an die Hand zu geben und ihnen dadurch zu frühen ‚Gelingenserfahrungen‘ zu verhelfen, wurde am Studienseminar für das Lehramt an Gymnasien in Koblenz ein Ausbildungsmodell entwickelt. Der Erörterung, wie die Implikationen dieses Modells auch auf den Literaturunterricht übertragen werden können, widmet sich die Dissertation.
Auf die verschiedenen Faktoren zur Steuerung des Unterrichts – die Phasierung der Stunde, die Formulierung von Lernaufgaben, die Darbietung des Materials und die Moderation der Unterrichtsgespräche – blickend, werden unterschiedliche Handlungsoptionen vorgestellt und didaktisch ausdifferenziert. Stichprobenuntersuchungen aus zwei Unterrichtsstunden – zu Rilkes Gedicht ‚Natur ist glücklich‘ (Klasse 9) und zu Bettina Wegners Lied ‚Gebote‘ (Klasse 12) – veranschaulichen und konkretisieren die Positionen.
Aus der Verbindung der didaktischen Überlegungen mit den empirischen Stichprobenuntersuchungen entsteht der Entwurf eines neu nuancierten Ausbildungsmodells für den hermeneutisch-diskursiven Literaturunterricht
T-Reqs: A Conceptual Model & Framework for Template-Based Requirements Quality Improvement in Space Engineering
No full textThe integration of the different stakeholder needs and environmental constraints is the key goal of requirements engineering. This demands collaborations between involved parties, to reach “understandability of the system”, what is particularly challenging for collaborations over different organisations. High quality requirements engineering is the key factor to address these challenges. Requirements are input to all development steps and carry the knowledge to exchange—requirements engineering is an overall life-cycle spanning and in its essence a knowledge management task.
The main goal of the T-Reqs framework presented in this thesis is to enable semantic interoperability and to sustain the knowledge by conceptualization of the requirements engineering process applied to European space projects. T-Reqs’ objective is to formally capture the information carried by the requirements to provide top-shelf inputs for the consecutive system and discipline-specific development tasks, in particular within model-based systems engineering. Emphasis is placed on the nature of relationships that exist among requirements and requirement documents. The T-Reqs formalism addresses the structuring of requirements as well as their potential reuse, e.g., in product line development or even between different projects. This implies an overall System Requirements Specification that is distributed in many specifications documents and involves requirements of different levels of abstractions from abstract goals to implementation details. This thesis especially focuses the specification and validation of such requirements documents.
The T-Reqs traceability model provides a means to trace not only individual requirements,
but also consider relations among views such as documents, taking into account the role
they play for stakeholders, especially in reuse. It is shown, how formalization of dependencies, such as for tailoring of standards, enables automated quality checks to facilitate reviews and enhance completeness and consistency of the overall specification.
Towards the structuring of requirements itself, different syntactic template systems aim to
increase the quality of requirement documentation. Within this thesis a comparative evaluation of these notations is conducted, supporting that claim and differentiating the strength and weaknesses of different approaches. Special emphasis is not only laid on documentation quality, but also the usefulness of these semi-formal notations for integration with model-based development methods. This is achieved through the representation of concepts, which can be managed in special contextualised glossaries.
Overall it can be shown that conceptualization of requirements engineering knowledge can support requirements engineering in different aspects and a holistic approach to integrate different tasks lays the foundation for semantic interoperability spanning organizations and life cycle phases.Die Integration der verschiedenen Bedürfnisse aller Interessengruppen und weiterer Randbedingungen ist Ziel von Anforderungsanalyse & -Management (engl. Requirements Engineering). Dies erfordert Zusammenarbeit zwischen allen Beteiligten, um ein „Verständnis des Systems“ zu erreichen—eine besondere Herausforderung für Kooperationen über verschiedene Organisationen hinweg. Hochwertiges Requirements Engineering ist der Schlüsselfaktor um diese Herausforderungen zu meistern. Anforderungen sind die Grundlage für alle Entwicklungsschritte—Requirements Engineering ist ein lebenszyklusübergreifender Prozess und seinem Wesen nach eine Aufgabe des Wissensmanagements.
Das Hauptziel des in dieser Arbeit vorgestellten T-Reqs-Frameworks ist es, semantische Interoperabilität durch die nachhaltige Konzeptualisierung von Wissen über Requirements-Engineering-Prozesse zu ermöglichen. Dies wird am Beispiel europäischer Raumfahrtprojekte demonstriert. Dazu werden Informationen die in Anforderungen enthalten sind formal erfasst, um eine Grundlage für die nachfolgenden Entwicklungsschritte, insbesondere im Rahmen der modellbasierten System-Entwicklung, bereitzustellen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf Beziehungen, die zwischen Anforderungen und Anforderungsdokumenten bestehen. Im Fokus stehen die Strukturierung von Anforderungen sowie deren mögliche Wiederverwendung, z.B. in der Produktlinienentwicklung oder sogar verschiedenen Projekten. Dies impliziert eine allgemeine Systemanforderungsspezifikation die auf viele Dokumente verteilt ist, welche Anforderungen auf verschiedenen Abstraktionsebenen von Zielen bis hin zu Implementierungsdetails beinhalten. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Spezifikation und Validierung solcher zusammenhängender Anforderungsdokumente.
Das T-Reqs-Traceability-Modell bietet die Möglichkeit, nicht nur einzelne Anforderungen
zu verfolgen, sondern auch die Beziehungen zwischen den Sichten, wie z.B. Dokumenten,
unter Berücksichtigung der Rolle die sie für die Beteiligten spielen, z.B. bei der Wiederverwendung. Es wird gezeigt, wie die Formalisierung von Abhängigkeiten, z.B. für das Tailoring von Standards, automatisierte Qualitätsprüfungen ermöglicht, um Reviews zu erleichtern und die Vollständigkeit und Konsistenz der Gesamtspezifikation zu verbessern.
Bei der Strukturierung von Anforderungen selbst zielen syntaktische Schablonensysteme
darauf ab die Qualität der Anforderungsdokumentation zu erhöhen. In dieser Arbeit wird
eine vergleichende Bewertung solcher Notationen durchgeführt, die diese Annahme bestätigt und jeweilige Stärken und und Schwächen aufzeigt. Besonderes Augenmerk wird
dabei nicht nur auf die Qualität der Dokumentation, sondern auch die Nützlichkeit dieser
semi-formalen Notationen für die Integration mit modellbasierten Entwicklungsmethoden
gelegt. Diese wird über die Repräsentation von Konzepten erreicht, welche in speziellen
kontextualisierten Glossaren verwaltet werden können.
Insgesamt wird gezeigt, dass die Konzeptualisierung Requirements Engineering in verschiedenen Aspekten unterstützen kann und ein ganzheitlicher Ansatz zur Integration verschiedener Aufgaben die Grundlage für semantische Interoperabilität über Organisationen und Lebenszyklus-Phasen hinweg bietet
Development and Characterization of 3D Printable Diffusion Controlled Drug Formulations With UV-Curable Photopolymer Resins
No full textIn recent decades, there has been a growing awareness in our society of the impor-
tance of medicines that are personalized to the needs of patients. This dissertation
contributes to the research on personalized dosage forms with controlled drug release.
The basis of our investigations is the simulation of the expected diffusion properties
of these personalized dosage forms using computer-aided statistical methods and the
subsequent adaptation of suitable models to experimentally obtained data. This
novel approach makes it possible to verify the parameters determined from exper-
imental data, such as the diffusion coefficient. A key finding is that, for instance,
the homogeneity of the sample, the precision of the measurement data collection
and the consideration of the measurement environment have a greater influence on
the validity of the diffusion coefficient than the choice of the diffusion model. The
experimental part of this thesis comprises the development and characterization of
drug-loaded polymer resins, the implant fabrication, and the pharmaceutical and
physical investigation of the polymer-drug implants. The formulation of polymer
resins and their suitability for 3D printing (3DP), as well as their use in pharmaceu-
tical applications, are extensively addressed. The release properties and, in partic-
ular, the polymer network’s mesh size influence on the active ingredient’s diffusion
rate in aqueous solution are studied. In addition, the production of polymer sam-
ples by means of UV photopolymerization in a molding process developed for this
purpose, as well as by using stereolithographic 3DP, are examined comparatively.
The polymerization process and the polymer properties resulting from the different
production methods are presented. The major findings from these studies include
the successful development of a polymer resin formulation whose release and swelling
properties are comprehensively demonstrated using a model drug. Furthermore, the
optimization of this resin for the use of the active pharmaceutical ingredient (API)
testosterone was achieved. A comparison of the two developed resin formulations
clearly shows the limitations and the possibilities of transferability of both systems.
In addition, the results concerning the release of API from the polymer, as well as
the diffusion of the solvent into the polymer and the resulting increase in the volume,
provide insight into the changed interfacial diffusion resistance in 3D printed poly-
mers compared to molded polymers. This work thus contributes to the development
of personalized drug forms and paves the way for the production of release-controlled
polymer resin implants for future follow-up work.Seit einigen Jahrzehnten gibt es ein immer stärker werdendes Bedürfnis unserer älter
werdenden Gesellschaft nach Arzneimitteln, welche individuell an die Bedürfnisse von
Patient:innen angepasst sind. Die hier vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag
hinsichtlich der Entwicklung personalisierter Arzneiformen mit kontrollierter Wirk-
stofffreisetzung. Grundlage der Untersuchungen ist die Simulation der zu erwartenden
Diffusionseigenschaften dieser personalisierten Arzneiformen mit Hilfe computerge-
stützter statistischer Methoden und die anschließende Anpassung geeigneter Modelle
an experimentell gewonnene Daten. Dieser neuartige Ansatz ermöglicht die Verifizie-
rung der aus experimentellen Daten ermittelten Parameter, wie dem Diffusionskoef-
fizienten. Eine wesentliche Erkenntnis ist dabei, dass unter anderem die Homogenität
der Probe, die Sorgfalt bei der Erhebung der Messdaten sowie die Berücksichtigung
der Messumgebung einen größeren Einfluss auf die Validität des Diffusionskoeffizien-
ten haben als die Wahl des Diffusionsmodells. Der experimentelle Teil dieser Arbeit
umfasst die Entwicklung und Charakterisierung von wirkstoffbeladenen Polymerhar-
zen, die Implantatherstellung sowie die pharmazeutische und physikalische Untersu-
chung der Polymer-Wirkstoff-Implantate. Die Formulierung von Polymerharzen und
deren Eignung für den 3D Druck sowie die Verwendung in pharmazeutischen Anwen-
dungen, wird umfassend behandelt. Die Freisetzungseigenschaften und insbesondere
der Einfluss der Maschenweite des Polymernetztes auf die Diffusionsgeschwindigkeit
des Wirkstoffes in wässriger Lösung werden untersucht. Zudem wird die Herstellung
von Polymerproben mittels UV-Photopolymerisation in einem hierfür entwickel-
ten Formgussverfahren sowie mittels stereolithographischem 3D Druck vergleichend
gegenübergestellt. Der Prozess der Aushärtung und die durch die unterschiedliche
Herstellung resultierenden Polymereigenschaften werden dargestellt. Die wichtigs-
ten Ergebnisse bei diesen Studien sind unter anderem die erfolgreiche Entwicklung
einer Polymerharzmischung, deren Freisetzungs- und Quelleigenschaften mittels Mo-
dellwirkstoff umfassend dargestellt werden können. Darüberhinaus wurde eine ange-
passte Version dieses Harzes für die Verwendung des Testosteron-Wirkstoffes erreicht
und eine Gegenüberstellung der beiden entwickelten Formulierungen zeigt deutlich
die Limitierungen sowie Möglichkeiten der Übertragbarkeit beider Systeme. Zudem
geben die Ergebnisse bezüglich der Diffusion von Wirkstoff aus dem Polymer sowie
die Diffusion von Lösemittel in das Polymer und die dabei entstehende Volumenzu-
nahme Aufschluss über den veränderten Grenzflächen-Diffusionswiederstand in 3D
gedruckten Polymeren im Gegensatz zu gegossenen Polymeren. Diese Arbeit trägt
somit zur Entwicklung personalisierter Arzneimittelformen bei und ebnet den Weg
für die Herstellung von freisetzungskontrollierten Polymerharzimplantaten für zu-
künftige Folgearbeiten
Simultane Bestimmung von Mikroplastik in Umweltproben mittels 1H-qNMR
No full textDie Produktion und der Einsatz polymerer Werkstoffe steigen seit Jahren kontinuierlich.
Gleichzeitig wächst damit auch der Eintrag von Mikroplastik (MP) – kleinster Partikel aus
der Abnutzung jener Materialien – in unsere Umwelt. Ein Bewusstsein für MP ist
mittlerweile in breiten Teilen der Bevölkerung angekommen, sodass Forschung und
Entwicklung auf diesem Gebiet ebenfalls immer mehr an Bedeutung gewinnen. Die
Unzureichende Standardisierung und das Fehlen geeigneter Analysemethoden
erschweren jedoch noch immer die Erfassung und Nachverfolgung von MP, sodass es
nach wie vor weitestgehend unreguliert bleibt. Für die Etablierung gesetzlicher Reglungen
sind vor allem massebasierte Analysemethoden von Vorteil. Neben
thermogravimetrischen Methoden existieren jedoch bisher kaum Alternativen auf diesem
Feld. In diesem Kontext wird seit einigen Jahren der Einsatz der
Kernresonanzspektroskopie (NMR) nach vormals nur qualitativer Anwendung auf MP nun
auch für ihre quantitative Nutzung geprüft. Diese Arbeit befasst sich mit dem aktuellen
Stand der quantitativen NMR-Spektroskopie (qNMR) und testet Möglichkeiten zur
Optimierung und Weiterentwicklung im Bereich der MP-Analytik. Zu Beginn wird die
Reduzierung von Probenmengen und damit Aufwand und Messdauer der Methode durch
Zusammenlegung verschiedener Polymertypen in gemeinsam messbare Gruppen sowie
der Eignung homopolymerer Kalibrierungen für die Detektion von Copolymeren geprüft.
Bestehende Restriktionen während der Messung werden sich zu Eigen gemacht und
extraktive Verfahren zur Probenvorbereitung implementiert. Schließlich wird der Einfluss
realer Umweltproben erfasst und Maßnahmen zur Reduktion von Störfaktoren erarbeitet.
Im Ergebnis umfasst die Methode mindestens sechs Polymertypen von PMMA, PS, BR und
PVC bis hin zu PA und PET sowie separate Ansätze für Polymere wie PAN und LDPE. Ein
modulares Probenvorbereitungsprotokoll, inklusive extraktiver Fraktionierung in
Messgruppen und chemischen Aufschlusses zur Matrixreduktion, wird etabliert und um
Möglichkeiten zur Diffusionsmessung und Anwendung auf Niederfeldgeräten erweitert.
Die praktische Anwendung wird an realen Beispielen, wie Fließgewässerbiofilmen sowie
zur Qualitätskontrolle von zertifizierten Referenzmaterialien, vorgestellt. Darüber hinaus
werden erste Einblicke in zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten, etwa zur Detektion von
Reifenabrieb, gegeben.The production and use of polymeric materials have been increasing continuously for
years. At the same time, the entry of microplastics (MP) – tiny particles resulting from the
wear and tear of these materials – into our environment is growing as well. By now,
awareness of MP has reached broad sections of the population and also research and
development on this field are similarly becoming increasingly important. However,
insufficient standardization and the lack of suitable analytical methods still make
recording and tracking of MP difficult, so that it remains largely unregulated. Mass-based
analytical methods are particularly advantageous for the establishment of legal
regulations. Apart from thermogravimetric methods, however, there are currently few
alternatives in this field. In this context, the use of nuclear magnetic resonance
spectroscopy (NMR), previously only qualitatively applied to MP, has now also been
examined for its quantitative benefits. This work deals with the current state of
quantitative NMR spectroscopy (qNMR) and tests possibilities for optimization and further
development for this purpose. Initially, the reduction of sample volumes and thus
minimized effort and measurement time of the method will be examined by combining
different polymer types into simultaneously measurable groups, as well as the suitability
of homopolymer calibrations for the detection of copolymers. Existing restrictions during
measurement will be adopted, and thus extractive procedures for sample preparation are
implemented. Finally, the influence of real environmental samples will be assessed, and
measures to reduce interfering factors will be taken in to account. As a result, the method
encompasses at least six polymer types, from PMMA, PS, BR, and PVC to PA and PET, as
well as separate approaches for polymers such as PAN and LDPE. A modular sample
preparation protocol, including extractive fractionation into measurement groups and a
chemical digestion method for matrix reduction, will be established and expanded to
include options for diffusion measurement and application to low-field instruments.
Practical application will be presented using real-world examples, such as freshwater
biofilms, as well as the use for quality control of certified reference materials.
Furthermore, initial insights into future development possibilities, like for the detection of
tire abrasion, will be provided
EduIDEAtor: An AI-Powered Project Idea Generator for Data Science Education
No full textThis thesis tackles a common bottleneck in data-science courses: students struggle
to turn a broad interest into a focused, workable project idea. This thesis set out to
design and evaluate a compact assistant—EduIDEAtor—that makes this first mile
simpler and more intentional. The tool uses a text-first interface with plain inputs,
a small set of clearly different directions, and quick, reversible edits so students can
steer ideas without losing momentum. After building and iterating the web appli-
cation, The thesis evaluated how students experienced it and how it compared with
familiar, non-AI brainstorming. The findings are consistent: navigation and input
clarity were strong; students felt more able to generate and shape ideas; overall sat-
isfaction and willingness to continue using the tool were high. Two practical refine-
ments emerged—make back navigation clearly visible and give users finer control
over how broad or specific the suggestions are both achievable without changing
the core design. The contribution is a concrete pattern for first-mile ideation and a
set of actionable guidelines for course-level adoption
Bridging Gaps! Spatial Ability Development in the Primary School Years and Its Relation to Affective and Academic Measures in STEM Learning in Boys and Girls.
No full textGender disparities in STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) fields remain a significant challenge, with women often underrepresented. Spatial abilities, particularly mental rotation (MR), are crucial for success in STEM, yet significant gender differences in these skills persist. This research aims to explore the factors contributing to these differences, focusing on emotional reactivity, self-concept, anxiety, and their impact on performance in mathematical and spatial tasks among primary school children. This research synthesizes findings from three related studies involving N=303 primary school students, consisting of 146 girls and 155 boys with a mean age=8.70 (SD=1.11) years. Data were collected through standardized questionnaires assessing self-concept, spatial and maths anxiety, and preferences for STEM subjects. Cognitive performance was evaluated using a computerized, novel Mental Rotation Task (nMRT) incorporating gender-congruent and neutral stimuli and various maths tasks correlating with mental rotation. Physiological responses were measured using galvanic skin response (GSR) to assess the impact of emotional reactivity on task performance. All data were collected in the classroom environment to increase ecological validity and generalizability of findings. Across studies, girls demonstrated higher maths and spatial anxiety, lower maths self-concept, and a lower preference for maths as a STEM subject compared to boys. These factors were significantly associated with performance differences in both maths and MR tasks. Higher emotional reactivity, as evidenced by GSR, and increased response time were associated with better scores on difficult items, that is, abstract stimuli rotated in-depth. Emotional reactivity also affected maths task completion times, with girls demonstrating lower physiological arousal linked to shorter processing time. Gender, subject preference, math self-concept and anxiety levels emerged as significant predictors of task performance on both maths and spatial tasks. The results underscore the influence of self concept, anxiety and physiological responses on cognitive performance, highlighting significant gender differences. Girls demonstrated higher subjective anxiety and physiological arousal during maths tasks. However, in the same group, lower emotional reactivity and maths anxiety served as protective influences, leading to improved scores and shorter completion times. Moreover, girls and tweens demonstrated lower maths self-concept and preference for maths, indicating that stereotype effects are already impacting their interest during primary school. These findings suggest that psychological factors play a crucial role in learning outcomes, particularly in STEM subjects. This integrated research contributes to a deeper understanding of how psychological factors such as self-concept, subjective anxiety but also physiological arousal and subject preferences affect mathematical and spatial performance in primary school children. The findings have practical implications for educators and policymakers, advocating for the development of strategies to enhance self-concept, manage anxiety and support emotional regulation, particularly in girls, fostering a supportive learning environment that mitigates the impact of stereotype threat. Enhanced self-efficacy and reduced anxiety thereby increase the likelihood of their engagement with maths, subsequently improving their performance and expanding their future career options
in STEM fields