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Characterization of previously undescribed archaeal viruses and their coinfection dynamics
No full textSpindle-shaped viruses infecting halophilic archaea (Haloarchaea) are among the most abundant viral morphotypes observed in hypersaline environments. Despite their abundance,
only two isolates, His1 and LSV-48N, have been described. Here, we characterize a novel spindle-shaped virus, Tebenquiche spindle-shaped Virus 1 (Tebi-SV1), isolated from a
Halorubrum strain (TLS6), deriving from a hypersaline lake in the Chilean Puna. Sequencing and electron microscopy of purified viral particles and cell cultures revealed the presence of a
second virus, Tebenquiche Pleomorphic Virus 1 (Tebi-PV1) that coinfects host cells. Together, Tebi-SV1 and Tebi-PV1 can infect across different genera of Haloarchaea. A search in public
databases, and gene sharing network analyses, revealed a small number of genomes related to Tebi-SV1, which together form a new virus family Almyrocitroviridae. Notably, some of these putative viruses also co-occur with pleolipoviruses in their host genomes. Halorubrum TLS6 did not lose either virus spontaneously and despite various efforts, we were unable to separate Tebi-SV1 and Tebi-PV1 from one another. We show evidence that Tebi-SV1 is dependent on Tebi-PV1, providing important insights into virus-virus interactions in archaea. Due to the extremophilic nature of this non-model system, extensive method optimization and the use of multimethod approaches was necessary to characterize the novel viruses, Tebi-SV1 and Tebi-PV1. Additionally, we provide insights to the different host cell entry and egress mechanisms that may be employed by the two viruses. This work demonstrates that co-occurrences of viruses and proviruses within one host system are not necessarily detrimental to the entities involved, rather that multiple elements can co-exist in concord
Action Selection in Everyday Activities : An Opportunistic Planning Model Based on Bounded Rationality, Minimization of Effort, and the Effective Use of Space
No full textOne of the main problems of performing ill-defined tasks is how to decide what to do next, i.e., the problem of action selection. This especially applies if tasks are not or only weakly constrained, such that the each action could be done in any order, equating a multitude of possible solutions. In order to gain a deeper understanding of the cognitive processes involved in human action selection, which in turn can inform the development of artificial cognitive agents such as robots, this thesis focuses on everyday activities as a subset of ill-defined tasks.
Previous research shows that even if no hard constraints exist, people exhibit specific preferences for action orderings, which arise from bounded rationality, i.e., having limited knowledge and computational power (e.g., in the form of working memory) available. As a result, people aim to minimize the required overall physical and cognitive effort. In the context of spatial tasks, this can be achieved by taking properties of the spatial environment into account and using them to one's advantage and by employing a stepwise-optimal action selection strategy. This thesis presents the Opportunistic Planning Model (OPM), an explanatory cognitive model that instantiates these assumptions
Neue Wege zur Kontrolle der Eigenschaften von Nanomaterialien bei Elektronenstrahl-induzierter Abscheidung
No full textDie Abscheidung von Nanostrukturen durch einen fokussierten Elektronenstrahl (Focused Electron Beam Induced Deposition, FEBID) ist eine relativ neue Methode, die auf der Elektronen-induzierten Zersetzung von metallorganischen Präkursoren auf Oberflächen basiert. Idealerweise sollten dabei reine Metallstrukturen an den Stellen entstehen, die von dem fokussierten Elektronenstrahl getroffen werden. In der Realität steht der FEBID-Prozess jedoch vor diversen Herausforderungen, da oft unreine Deponate entstehen oder die räumliche Kontrolle durch thermische Reaktionen wie autokatalytisches Wachstum (AW) beeinträchtigt wird.
Durch die Verwendung von NH3 als Ligand oder Prozessgas im FEBID-Prozess können viele dieser Herausforderungen adressiert werden. NH3 zersetzt sich effizient unter dem Elektronenstrahl, wobei reaktive Spezies wie atomarer Wasserstoff oder NH2⦁-Radikale gebildet werden. Solche Spezies können beispielsweise verwendet werden, um Cl-haltige Abscheidungen aufzureinigen. Außerdem kann kohlenstoffhaltiges Material durch Elektronen-induzierte Reaktionen von NH3 modifiziert werden. Metallische Abscheidungen mit einem hohen C-Gehalt sind potentielle Materialien für Feuchtigkeitssensoren, deren Funktion auf dem Tunneleffekt basiert. Jedoch bindet H2O nur schwach an das unpolare Material. Polare Bindungsstellen könnten die Sensitivität solcher Sensoren verbessern. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, wie effizient stickstoffhaltige Gruppen durch Elektronenbestrahlung in Anwesenheit von NH3 in kohlenstoffhaltige Abscheidungen eingebaut werden und wie sich der Einbau auf die Desorptionstemperatur von H2O auf solchen Abscheidungen auswirkt. Es wurden erfolgreich C-N-Bindungen gebildet, wobei sich die H2O-Desorption mit zunehmendem N-Gehalt der Abscheidungen zu höheren Temperaturen verschob. Durch Studien zur Elektronen-induzierten Reaktion von Ethan und Ethen mit NH3 konnte die Bildung von NH2⦁-Radikalen durch Elektronenstoß-Ionisation und anschließenden Protonentransfer als auslösender Mechanismus für die Hydroanimierung gesättigter und ungesättigter Kohlenwasserstoffe identifiziert werden.
NH3 kann im FEBID-Prozess auch als Inhibitor für das AW von Fe aus Fe(CO)5 verwendet werden, was jedoch den Fertigungsprozess beeinflusst. Einfacher wäre die Verwendung von Präkursoren, die ähnlich reine Abscheidungen bilden, ohne zum AW zu neigen. Daher wurde der heteroleptische Präkursor Tetracarbonyleisen(η2-Methyacrylat) (Fe(CO)4MA, MA = Methylacrylat, H2C=CH–COOCH3) in Experimenten, die dem FEBID Prozess bei Raumtemperatur und kryogenen Temperaturen ähneln, mit Fe(CO)5 verglichen. Es wurden ähnliche Ergebnisse für beide Präkursoren erhalten, die auf eine effiziente Trennung des MA-Liganden vom Präkursor hindeuten. Experimente zum AW auf Abscheidungen aus Fe(CO)5 zeigten, dass sich Fe(CO)4MA thermisch weniger effizient zersetzt und daher ein potentieller Präkursor ist, um AW zu unterdrücken
Fostering technological innovation? The role of key enabling technologies and determinants of their impact
No full textDas Konzept der Schlüsseltechnologien (engl. Key Enabling Technologies, KETs) wurde in den letzten 15 Jahren in der Wissenschaft wie in der Politikgestaltung populär. Die KETs umfassen sechs verschiedene Technologiebereiche, für die eine essenzielle Bedeutung für Europas Wettbewerbsfähigkeit und die Bewältigung sogenannter großer gesellschaftlicher Herausforderungen angenommen wird. Nachdem die Europäische Kommission das Ziel der Stärkung von KETs in der Europäischen Union (EU) kommunizierte, erlangten diese in der EU-Politik eine strategische Bedeutung. Parallel entstand ein neues Feld wissenschaftlicher Literatur zu KETs, mit derzeit noch erheblichen Lücken, die weiterer Forschung bedürfen.
Die breite Anwendbarkeit von KETs in verschiedenen Sektoren führte zu der Erwartung, dass sie als Innovationskatalysatoren wirken. Wie die vorhandene Literatur zeigt, erleichtern KETs die Rekombination entfernter Wissenselemente zu technologischen Innovationen. Die vorhandenen Studien konzentrieren sich bislang hauptsächlich auf die Auswirkungen von KETs und befassen sich dabei insbesondere mit der regionalen Ebene. So werden beispielsweise die Auswirkungen von KETs auf das regionale Wirtschaftswachstum, die regionale Diversifizierung und das Entstehen radikaler Innovationen in Regionen untersucht. Während die besondere Rolle von KETs im Allgemeinen bestätigt wird, zeigen Analysen auf Ebene der einzelnen KETs Unterschiede zwischen deren Auswirkungen. Die ihren Effekten zugrundeliegenden Voraussetzungen wurden bislang nur unzureichend erforscht. Um KETs und ihre Wirkmechanismen besser zu verstehen, untersucht die vorliegende Dissertation, in welchen Kontexten KETs einen Einfluss auf Innovationsaktivitäten ausüben. Zwecks einer differenzierten Perspektive werden die sechs KETs in jeder Analyse einzeln untersucht. Zudem werden die Unternehmens-, die regionale und die technologische Ebene einbezogen. Zusätzlich unterscheiden zwei der vier Studien dieser Doktorarbeit zwischen radikalen und inkrementellen Innovationen, wobei in einer dieser Studien die Rolle der KETs bei der Entstehung radikaler Innovationen im Vordergrund steht. Die Analysen dieser Arbeit basieren auf Patentdaten und werden unter Anwendung ökonometrischer Methoden durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass KETs sich sowohl katalytisch als auch hinderlich auf Prozesse technologischer Innovation auswirken können - abhängig von der jeweiligen KET und dem Kontext. Auf der aggregierten Ebene (keine Unterscheidung zwischen KETs) ist ein fördernder Einfluss von KETs auf Innovationsprozesse und auf radikale Innovationen zu beobachten. Genauere Analysen auf der Patentebene zeigen jedoch, dass nur einige Patente eine starke Wirkung entfalten. Auf der Ebene einzelner KETs sind die Auswirkungen sehr technologiespezifisch. Innerhalb desselben Umfelds können sich die Effekte nicht nur in ihrer Stärke zwischen einzelnen KETs unterscheiden, sondern auch in ihrer Richtung: Manche KETs können innovationsfördernd wirken, während andere sich innovationshemmend oder gar nicht auswirken. Folglich wird in dieser Dissertation argumentiert, dass KETs sowohl den technologischen Wandel als auch die ökonomische Entwicklung auf verschiedenen Ebenen vorantreiben können. Allerdings sollten künftige Forschungsarbeiten das KET-Konzept eingehend prüfen und kritisch bewerten. In diesem Kontext sollten die sechs KETs einzeln analysiert werden. Forschende, politische Entscheidungsträger:innen und Manager:innen sollten Ansätze wählen, die sowohl KET- als auch regions- und unternehmensspezifische Voraussetzungen berücksichtigen, wenn es um den strategischen Einsatz von KETs geht
Sprachkommandoerkennung auf einem FPGA
No full textWir untersuchen am Beispiel einer Sprachkommandoerkennung, wie man ein neuronales Netz in einer stark leistungsbeschränkten Umgebung am besten nutzen kann, indem man ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) einsetzt. Das im vorliegenden Bericht beschriebene Projekt baut auf Projekten in früheren Semestern auf, und es wird fortgesetzt werden. Im aktuellen Semester wurden die nötigen Verarbeitungsschritte an neue Audio-Hardware angepasst sowie detaillierter identifiziert und festgelegt. Aus
einem aufgetretenen Schnittstellenproblem heraus ergab sich eine neue Einsicht zu einer Systemarchitektur für eine effiziente Verarbeitung auf einem FPGA. Bei den einzelnen Teilaufgaben wurden ansonsten bedauerlicherweise keine wesentlichen Fortschritte gegenüber dem Vorgängerprojekt erzielt. Im Ausblick am Ende fassen wir den aktuellen Stand der Ideen zusammen, wie die laufende Serie von Mini-Projekten fortgesetzt werden kann
Modellprädiktive Regelung für den optimalen Betrieb von hybriden elektrischen Inselnetzen
No full textAbgelegene Inseln weltweit werden zunehmend zu hybriden Elektroenergiesystemen. Aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen werden erneuerbare Energiequellen und Speicher in elektrische Inselnetze integriert, die sich oft noch auf mit fossilen Brennstoffen betriebene Synchrongeneratoren stützen. Die schwankende und schwer vorhersagbare Verfügbarkeit der erneuerbaren Energien sowie die fehlende Anbindung an ein großes Verbundnetz stellen eine Herausforderung für den unterbrechungsfreien und wirtschaftlichen Betrieb elektrischer Inselnetze dar.
In dieser Arbeit wird hierzu ein Energiemanagementsystem (EMS) basierend auf einer modellprädiktiven Regelung (MPC) entwickelt. Ziel ist die Reduktion der Betriebskosten des Inselnetzes unter Einhaltung betriebsbedingter und sicherheitsrelevanter Nebenbedingungen. Das MPC-basierte EMS besteht aus einem Unit Commitment für die Optimierung des Langzeitfahrplans und einem Economic Dispatch, das auf einem detaillierten optimalen Lastflussproblem basiert, für die kurzfristigen Sollwerte der dezentralen Erzeugungseinheiten und Speicher. Für den zweistufigen MPC-Ansatz werden Vorhersagemethoden für den elektrischen Lastbedarf sowie die erneuerbare Energieerzeugung eingesetzt. Dadurch, dass Vorhersagesysteme Abweichungen zu den tatsächlich eintretenden Werten enthalten, stellen sie eine Unsicherheitsquelle in dem Betrieb elektrischer Inselnetze dar. Ein robuster MPC-Ansatz in dem EMS soll diese Unsicherheit berücksichtigen und damit die Robustheit gegenüber Vorhersagefehlern sowie unerwarteten Störungen erhöhen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit werden anhand des realen Inselnetzes auf Suðuroy, Färöer-Inseln, dargestellt. Das elektrische Inselnetz auf Suðuroy setzt sich aus volatilen erneuerbaren Energiequellen, Synchronmaschinen sowie einem Batteriespeicher zusammen. Simulationsstudien mit historischen Messdaten und unter Berücksichtigung von Unsicherheiten in den Vorhersagemethoden zeigen signifikante wirtschaftliche Vorteile für die modellprädiktiven Regelungen gegenüber dem aktuellen manuellen Netzbetrieb auf der Insel Suðuroy. Mithilfe quasistationärer Modelle wird weiterhin gezeigt, dass der stabile Systembetrieb sowohl im Normalbetrieb als auch beim Auftreten größerer Störungen nicht gefährdet ist. Abschließend werden die in dieser Arbeit vorgeschlagene MPC auf Suðuroy implementiert und qualitative Ergebnisse aus Feldtests abgeleitet
Studienreport "Gesellschaft selber machen? Informelle Ökonomien und soziale Teilhabe in ländlichen Armutsräumen"
No full textIm Zentrum der Studie "Gesellschaft selber machen? Informelle Ökonomien und soziale Teilhabe in ländlichen Armutsräumen" steht die Bedeutung informeller Ökonomien für die soziale Teilhabe armutsbetroffener Personengruppen in ländlich-strukturschwachen Räumen in Deutschland. Vor dem Hintergrund wachsender sozialräumlicher Ungleichheit und noch unzureichenden Forschungskenntnissen zu Armut in ländlichen Räumen wurde danach gefragt, welche Ursachen und Erscheinungsformen Armut in ländlich-peripherisierten Räumen in Ost- und Westdeutschland hat, wie informelle Selbsthilfe und Unterstützung in strukturschwachen ländlichen Räumen strukturiert sind; ob, wo und wie sie an die Stelle vormals öffentlicher Angebote treten und welche Bedeu-tung ihnen unter den Bedingungen von ländlicher Armut in Bezug auf soziale Teilhabe zukommt. Im Rahmen eines qualitativen Methodenmixes aus 67 Expert*inneninterviews, 89 problemzentrierten Interviews mit Armutsbetroffenen, neun Einzel- und Gruppeninterviews mit Mitgliedern zivilgesellschaftlicher Projekte alternativen Wohnens und Wirtschaftens und acht teilnehmenden Beobachtungen wurden qualitative Daten in vier ländlich-strukturschwachen Landkreisen in vier Bundesländern vom Forschungsteam erhoben und mehrstufig ausgewertet. Der bei Qualiservice archivierte Datensatz umfasst 28 problemzentrierte leitfadengestützte Interviews mit armutsbetroffenen Männern und Frauen zwischen 21 und 80 Jahren in vier Landkreisen Ost- und Westdeutschlands.Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF
Zwischen Anspruch und Realität: Die Attitude-Behaviour Gap im nachhaltigen Reiseverhalten auf Rügen
No full textDie Diskrepanz zwischen nachhaltiger Einstellung und tatsächlichem Verhalten, auch Attitude-Behaviour Gap genannt, stellt eine zentrale Herausforderung für eine nachhaltige Tourismusentwicklung dar. Diese Masterarbeit untersucht am Beispiel Rügen, inwiefern sich touristische Einstellungen zur Nachhaltigkeit im konkreten Verhalten widerspiegeln, welche Barrieren einer Umsetzung entgegenstehen und mit welchen Maßnahmen sich diese Lücke verringern lässt. Die Untersuchung basiert auf einer Methodentriangulation und besteht aus einer standardisierten Online-Befragung sowie einem leitfadengestützten Experteninterview mit der Destination Management Organisation. Die Ergebnisse zeigen, dass viele Reisende zwar grundsätzlich eine positive Haltung gegenüber nachhaltigem Urlaub äußern, ihr Verhalten jedoch nicht entsprechend anpassen. Besonders deutlich wird diese Lücke bei der Verkehrsmittelwahl, der Nutzung regionaler Angebote und im Umgang mit Ressourcen. Zudem zeigt sich, dass sich viele Menschen im Alltag nachhaltiger verhalten als im Urlaub, wo Nachhaltigkeit oft bewusst ausgeblendet wird. Zu den Barrieren zählen unter anderem fehlende Informationen, eine unklare Kennzeichnung, hohe Preise und ein erhöhter organisatorischer Aufwand. Begrenzte finanzielle Ressourcen, fehlende strategische Unterstützung durch politische Entscheidungsträger sowie eine unzureichende Abstimmung zwischen den Gemeinden der Insel erschweren die Weiterentwicklung nachhaltiger Tourismusangebote. Auf Basis der empirischen Ergebnisse werden praxisnahe Handlungsempfehlungen in sieben Themenfeldern entwickelt, die sich an die Destination Management Organisation sowie touristische Betriebe richten. Im Fokus stehen dabei Maßnahmen zur Verbesserung der Kommunikation, der klimafreundlichen Mobilität, der Sichtbarkeit nachhaltiger Angebote und strategische Zusammenarbeit. Ziel ist es, nachhaltiges Verhalten auf Rügen zu erleichtern, positiv zu besetzen und langfristig im touristischen Alltag zu verankern
Exploring 3D-printed and freeze-cast porous SiOC for mass transport: membranes for gas-liquid phase separation and anodes for bioelectrochemical systems
No full textMacroporous ceramics are often applied in the form of monoliths, 3D-printed grids, tapes and much more, in a wide array of industries. Mass transport is of paramount importance for almost all porous ceramics applied, and inefficient mass transport can lead to several issues if it is not designed correctly. The various problems include the high pressure drop that limits the overall reaction rate in catalytic reactors [1], and limited transport of nutrients in bioelectrochemical systems [2] or in the production of bone tissue e [3], to name a few. The solution to overcome these limitations usually lies in tuning the processing techniques of porous ceramics whether through conventional methods like replica, direct foam, and sacrificial templating [4] or through newly explored techniques like additive manufacturing [5].
Every application requires a specific set of parameters from the pore structure and the functional properties. The pore structure is usually adjusted in means of pore size distribution, open porosity, pore morphology, surface roughness, and specific surface. These parameters directly affect the mechanical and mass transport properties, while other properties like hydrophilicity, biocompatibility, and electrical conductivity can be tuned from the adjustment of the chemical composition. With this in mind, the porous structures in this work will be adapted to the requirements of two applications: screen-channel liquid acquisition devices (SC-LAD) and anodes for bioelectrochemical systems (BES). The first technology targeted is SC-LAD, which are used in propellant depots and are designed to supply gas-free propellants to the tanks of spacecraft or space exploration vehicles. The task of separating liquid from gaseous phases is a challenge, due to the difficulty of locating the liquid/gas interface in microgravity condition. The most important parameters for this application are the wicking rate, the pressure drop and the bubble point. Metallic meshes are frequently designed taking these parameters into account, but research into porous ceramics shows great potential for this application. The low thermal conductivity of ceramics would reduce the evaporation of propellants and consequently, the impairment on wicking rate, and materials with a lower density than metal mesh would meet the requirement of lightweight design of aerospace components. The pore size for capillary transport in this application (wicking) ranges from a few micrometers to approx. 200μm [6] and understanding the effect of not only the pore size, but the morphology and quantity of the pore channels is crucial for designing an SC-LAD. Additionally, manufacturing porous ceramics in SC-LAD with geometries close to the state-of-the-art materials (i.e. metal meshes), and testing their bubble point as a reliability indicator represents a step further towards this technology readiness level.
The second targeted technology is anode materials for BES like microbial fuel cells. Microbial fuel cell (MFC) is an environmentally-friendly solution that harvests energy from the purification of wastewater [7]. The energy is harvested from the oxidation of a substrate (wastewater) which is carried out by bacteria on the surface of an anode. The electrons generated from this reaction travel through the anode to an external circuit, arriving on a cathode that reacts with electrons, oxygen and protons to generate water. The current power density generated by microbial fuel cells is low and limited to applications like remote sensors. Among the various components of a MFC, the anode offers tuning possibilities in terms of its surface properties, architecture and composition, which can improve the overall performance of the MFC. Designing anodes for MFC requires pore sizes on the surface of the anodes bigger than a few microns and functional properties like hydrophilicity, electrical conductivity and biocompatibility [8,9]. The anode should have hydrophilicity [10] and biocompatibility for the adhesion of microorganisms on its surface, and high electrical conductivity [11] for transferring the electrons generated from the oxidation process of microorganisms in the anodic chamber. The pores on the surface of the anode (and the resulting surface roughness) are highly important for the initial biofilm adhesion, but even more for the biofilm growth during long-term operation. If the pores are not large enough, they will clog and limit the transport of nutrients and consequently the biofilm growth [12].
To develop porous ceramics that fulfill the requirements of the targeted applications, polysiloxanes will be used as the initial precursors for creating SiOC-based materials. SiOC monoliths and screens can be produced through solution-based freeze-casting, a process that allows the morphology, size and amount of porosity to be adjusted. Pores are generated by the solidification of a solvent from a two-phase system (polymer and solvent), subsequent sublimation of the solidified solvent’s crystals and heat treatment. The wicking rate and gas-liquid phase separation are the most important parameters in a SC-LAD, and therefore, will be explored in two different parts in this work (first wicking rate, then gas-liquid phase separation). Different morphologies of freeze-cast monoliths can be created using pure solvents or a mixture of solvents as pore-templating agents. Testing and comparing the permeability and the wicking rate of different pore morphologies can give valuable insights of the capillary transport mechanism and existing analytical models to predict this phenomena. Besides, the mechanical stability of the pore morphology is crucial for the development of crack-free screens to be tested at SC-LAD. The relationship between the pore size screens and porosity, and the pressure drop and bubble point during phase-separation is of utmost importance for designing potential materials for SC-LAD.
Finally, to study the influence of the surface porosity, roughness and available area on the biofilm formation, novel architectures and surfaces of SiOC-based anodes will be developed through suspension-based freeze-casting and additive manufacturing using carbon-based fillers. The assessment of the utility of 3D-printed anodes in MFCs compared to their non-3D-printed counterparts with the same material composition is still lacking in literature and is of great importance for further progress in the design of new anodes for BES. Additionally, the impact of the surface parameters of the anode on the initial biofilm adhesion can be further expanded
Transparent Exopolymer Particles in the Surface Arctic Ocean by Ocean Biogeochemistry Modeling
No full textIn light of the Arctic Amplification of global warming, it is fundamental to enhance our comprehension of ecosystem dynamics in the Arctic Ocean. This will facilitate predictions about how alterations in phytoplankton and broader ecological processes may evolve under future warming scenarios. The primary production of the Arctic Ocean is principally based on phytoplankton building up organic carbon. The growth and distribution of phytoplankton are strongly shaped by the seasonality of polar night and day, sea ice cover and nutrient availability. Focusing on one essential component of the organic carbon cycle, I simulate transparent exopolymer particles (TEP) in the upper ocean. As in situ observations are scarce, modeling can extend our knowledge on their spatial and temporal occurrence patterns and trends. Additionally, these particles have recently been reported to act themselves as biogenic aerosol precursors, or as precursor for other organic compounds. These may be an important source of primary marine organic aerosols in the Arctic atmosphere.
In the first part of my dissertation, I present a coupled ocean sea-ice biogeochemistry model where I integrate dissolved acidic polysaccharides (PCHO) and TEP. Phytoplankton exude organic carbon into the surrounding ocean, particularly under nutrient-depleted conditions. PCHO are defined as one part of the exuded organic carbon, which can then aggregate to form larger particles, such as TEP. There is a strong seasonal cycle of TEP in the upper ocean, as the occurrence of TEP follows the phytoplankton blooms both temporally and spatially. The simulation provides an initial estimate of TEP concentration with the highest levels reaching 200-400 µg C/L in the upper ocean (0-30 m depth) simulated in the Fram Strait and on the continental shelves under conditions of nutrient depletion for June to August. In the central basins, TEP concentration range from 10 to 50 µg C/L. When considered in the context of observation datasets, this simulation performs well in terms of Total Chlorophyll a (TChla) and particulate organic carbon. There is reasonable agreement for TEP compared with the few in situ datasets available. It would be recommended to gather more observational data on TEP in conjunction with data on TChla and other relevant biogeochemical parameters. This would allow deeper insights into the ecosystem dynamics and time series of TEP in the Arctic Ocean. As a consequence of the simulation analysis, the regions of interest for in situ measurements should be the marginal ice zones, and especially the high Arctic due to the seasonal variations of sea ice and its overall declining trend.
Moreover, the simulation for the period 1990 to 2019 indicates a significant negative trend of TEP concentration in summer in regions affected by the inflow of Atlantic water, such as the eastern Fram Strait, the Barents Sea, and parts of the Eurasian Basin. Regions of the Arctic Ocean influenced by Pacific water exhibit a significant positive trend in TEP concentration, including the Amerasian Basin, the Canadian Arctic Archipelago and the Kara Sea.
In the second part of my thesis, I re-analyze the simulated environmental variables in order to ascertain their role as TEP drivers in three exemplary regions. The analysis demonstrates that TChla is an important predictor for TEP occurrence in general, but also physical factors such as photosynthetically active radiation and sea ice concentration exert a significant influence on the distribution of TEP in the Laptev Sea, while nutrient availability plays an important role in shaping the time series observed in the Fram Strait.
In the third part, I asses the long-term trend of TEP in the Arctic Ocean following a high-emission scenario proposed by the Intergovernmental Panel on Climate Change. The Arctic-wide TEP concentration is projected to increase significantly from 80 to 105 µg C/L in the upper ocean until 2100. This increase is driven mostly by the retreat of the sea ice cover, which triggers increases in phytoplankton carbon concentration and a subsequent increase in phytoplankton nutrient limitations. However, there are regional differences as, e.g., in the western Fram Strait, the trends seem to be shaped by the sea ice retreat and light availability, whereas in the eastern Fram Strait, nutrient availability and remineralization of TEP are important factors.
The final part of my dissertation revisits the role of biogenic aerosol precursors in the upper ocean. I briefly discuss one application of the knowledge gained about the organic carbon cycle in the upper Arctic Ocean. By serving as an ocean-atmosphere boundary condition, the simulation enables the determination of primary marine organic aerosol emissions in an aerosol-climate model. I conclude with a discussion on two perspectives for future research, namely the simulation of organic matter enrichment at the ocean surface and the distribution of TEP in the water column, especially with respect to sinking and degradation processes