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Analyse und Bewertung von Arzneimitteltherapierisiken und potenziell arzneimittelbedingten Schäden sowie Ableitung von Konsequenzen für die Routineversorgung
No full textDie individuelle Abwägung des Nutzens gegenüber dem Risiko einer Arzneimitteltherapie ist eine zentrale Voraussetzung jeder medikamentösen Behandlung und stellt für den Behandler zugleich eine höchst anspruchsvolle Aufgabe dar, da für eine sichere Therapie eine möglichst vollständige Informationsgrundlage bezüglich des betroffenen Patienten und des betroffenen Arzneimittels notwendig ist. Eine besondere Problematik ergibt sich an Übergängen zwischen Versorgungsbereichen wie der Aufnahme aus dem ambulanten Bereich in ein Krankenhaus. Die Erhebung aller für eine risikoarme und sichere Arzneimitteltherapie notwendigen Informationen aus dem ambulanten Bereich und ihre Berücksichtigung sind arbeitsintensiv und benötigt vielerorts nicht für diesen Zweck verfügbare Personalkapazität. Das Ausmaß unzureichender Arzneimitteltherapiesicherheit im Gesamtprozess der medikamentösen Therapie am Übergang zwischen ambulanter und stationärer Versorgung ist in Deutschland bisher nicht ausreichend untersucht worden.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Ursachen und das Ausmaß von Arzneimitteltherapierisiken und potenziell arzneimittelbedingten Schäden zum Zeitpunkt der Krankenhausaufnahme am Universitätsklinikum Essen zu erkennen und zu bewerten. Hierzu soll eine Abschätzung der vermeidbaren Risiken und potenziellen Schäden bei Patientenaufnahme durchgeführt werden. Darüber hinaus soll ein Konzept zur Beurteilung des Schädigungspotentials der verschiedenen Arzneimitteltherapierisiken abgeleitet werden. Mithilfe der gewonnenen Ergebnisse soll ein Prozess zur Verbesserung der Risikoabschätzung und Erhöhung der Arzneimitteltherapiesicherheit bei Krankenhausaufnahme entwickelt werden.
Für die bestmögliche Medikationsanamnese und -prüfung am Übergang zwischen ambulanter und stationärer Versorgung werden drei Ziele definiert. Hierbei handelt es sich um (1) die vollständige Dokumentation der bestehenden Arzneimitteltherapie, (2) um eine adäquate Überprüfung der Therapie auf vermeidbare Arzneimitteltherapierisiken und Schäden, sowie (3) um die Definition einer notwendigen und ausreichenden Informationsbasis für die sichere Neuverordnung von Arzneimitteln
Identification and characterization of circulating tumor cells in hepatocellular carcinoma
No full textDurch besseres Verständnis der Subtypen des hepatozellulären Karzinoms (HCC) auf molekularem Level sowie des Einflusses genetischer Faktoren könnten neuartige Ansätze zur frühzeitigen Diagnose und individuellen Therapie von Patienten entwickelt werden. Aufgrund der aus Patientensicht geringen Invasivität einer Blutabnahme und der Möglichkeit zur Verlaufsmessung könnten zirkulierende Tumorzellen (CTC) ein geeignetes „Surrogatgewebe" für wiederholte Biomarkeruntersuchungen darstellen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine CTC-Isolierungsmethode entwickelt, wobei von jeder Patientenprobe jeweils eine Negativselektion und eine Epitheliales-Adhäsionsmolekül (EpCAM)-positive Selektion der CTC angefertigt wurde. Dabei wurde die Leukozyten-depletierte bead-freie Negativselektion zur CTC-Detektion bzw. zur fluoreszenzbasierten Charakterisierung eingesetzt und die Positivselektion diente der molekularen Verlaufsmessung in EpCAM-positiven CTC. In HCC-Patientenproben konnten mittels Immunfluoreszenzfärbungen Zellen mit epithelialen, mesenchymalen und leberspezifischen, und auch gemischten Eigenschaften detektiert werden. Desweiteren wurde die Verteilung der Subtypen als Ratios der epithelialen und mesenchymalen Zellen errechnet, welche sich mit dem klinischen Status bzw. Therapieansprechen korrelieren ließen. Da die Ergebnisse der Quantifizierung andeuteten, dass ein Anstieg des Anteils der epithelialen Zellen, mit schlechterem klinischen Verlauf assoziiert war, wurde die EpCAM-positive angereicherte Zellfraktion zur Validierung von bekannten und durch die Kooperationspartner im Rahmen des Bio.NRW-Projektes aus Gewebe erarbeiteten Marker verwendet. Da die selektive interne Radiotherapie (SIRT) die derzeit am häufigsten angewandte interventionelle Methode zur Behandlung der HCC-Patienten in der Klinik für Gastroenterologie und Hepatologie ist, wurde ein gepaartes Patientenset (Krankheitskontrolle vs. Progression) mit dieser Behandlung ausgewählt. Interessanterweise zeigte die Receiver Operation Characteristic (ROC)-Kurvenanalyse, dass die niedrige Expression von Insulin-like Growth Factor-binding Protein 1 (IGFBP1) eine höhere Sensitivität (80%) und Spezifität (80%) hatte als die erhöhte mRNA Expression von Alpha-Fetoprotein (AFP) welche in der Literatur als vielversprechender Marker zur Vorhersage der Prognose gilt. Spearman Korrelation und auch multivariate Regression bestätigten die signifikante Assoziation von IGFBP1 (p=0,027) mit Progression nach SIRT. Die mittels der hier entwickelten Methode isolierten CTC zeigten keine Proliferation, überlebten jedoch bis zu 21 Tage unter Standardzellkulturbedingungen. In dieser Zeit waren die Zellen für weitergehende Experimente, wie der ex vivo Testung auf Platin-Resistenz bei Patienten mit Nicht-kleinzelligem Lungenkarzinom (NSCLC) nutzbar
Process related quality management for laser sintering of Polyamide 12
No full textDie in dieser Arbeit vorgestellte Methodik zum prozessnahen Qualitätsmanagement dient der Kompensation von materialinduzierten Streuungen von Prozess- und Bauteileigenschaften als Grundlage zur qualitätsgesicherten Fertigung beim Lasersintern mit Polyamid 12. Streuungen, die in der Konsequenz merkliche Schwankungen der Bauteileigenschaften bewirken, werden in diesem Zusammenhang durch die starke Wechselwirkung zwischen Material und Prozess verursacht. Beim Lasersintern kommt es mit Bezug darauf insbesondere aufgrund der Prozessbedingungen zu Materialeigenschaftsveränderungen. Thermorheologische Untersuchungen an Polyamid 12 Kunststoffpulvern, die systematisch unter prozessnahen Bedingungen gealtert wurden, wiesen einen signifikanten Zusammenhang zwischen Eigenschaftsveränderungen und einem kombinierten Zeit- und Temperatureinfluss nach. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein Modell entwickelt, das die prozessbedingten Eigenschaftsveränderungen beschreibt. Das Modell wurde weiterhin unter Nutzung von Prozesswissen als Bestandteil einer modellbasierten Qualitätsregelung verwendet und die Wirkungsweise experimentell überprüft. Hierzu wurde auf einen Zusammenhang zwischen Prozesseigenschaften und Modellvorhersage zurückgegriffen und auf dieser Basis wurden Verarbeitungsgrenzen sowohl für den Prozess als auch für das verwendete Material definiert. Der Vergleich von Bauteileigenschaften für einen vorausberechneten Prozesszustand innerhalb und außerhalb dieser Verarbeitungsgrenzen wurde abschließend zur Bewertung der modellbasierten Qualitätsregelung herangezogen. Ein eindeutiger Nachweis mit Bezug auf die Wirksamkeit der entwickelten Methodik konnte allerdings nicht zwingend erbracht werden. Im Wesentlichen wurde dieses Resultat auf Unterschiede zwischen Modellvoraussage und Experiment zurückgeführt, die mit der Inhomogenität der Aufschmelzcharakteristik sowie des Sinterprozesses einer Pulverschüttung aus Neu- und Altpulver im Zusammenhang stehen und damit das Eigenschaftsprofil sowie die Streuungen generativ gefertigter Bauteile mitbestimmen.A process related quality management method for the compensation of Polyamide 12 (PA 12) induced process and part properties deviations is presented as a basic concept for a quality assured series laser sintering production. In this context, deviations are caused by a strong interaction between the material and the process leading to an undesired deviation of part properties. With regard to laser sintering, material property changes occur due to processing conditions. Thermorheological investigations of systematically under process related condition aged PA 12 powders revealed a significant dependence of property changes to a combined time and temperature effect. With respect to these findings, a model was derived that is able to describe these property changes. Moreover, the model was used under utilization of processing knowledge within a model based predictive quality control and verified experimentally based on a relationship between process properties and model prediction. In addition, this relationship was used to define a processing window for process and material properties. The validation of the model based predictive quality control was done by a comparison of part properties whereas parts were produced based on a predicted parameter setup that represented a processing state inside and outside of the defined processing window. However, a clear confirmation for the effectiveness of the model based quality assurance in this study could not be concluded. Mainly, this result was reduced to differences between model prediction and experiment, i.e. differences that are related to the inhomogeneity of the melting characteristic and the sintering process which hence control the properties profile of additively manufactured parts as well as its deviations
Systematic Design of Multiport Antennas for MIMO-enabled Mobile Wireless Terminals
No full textMobile wireless communication systems have undergone a tremendous development in the past decade. One of the major advancements is the widespread use of MIMO transmission schemes beginning with the introduction of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard LTE and being extended
in LTE Advanced. So as to support MIMO transmission schemes mobile terminals must be equipped with multiport antenna systems. The term refers to an arrangement of two or more antenna elements operating in the same frequency range and mounted on the same mobile wireless platform. Reduced volume
per antenna element and strong interaction between all antenna elements are major design challenges and require for new systematic design approaches beyond classical single antenna design. The ongoing miniaturization of mobile terminals, the extension of the mobile spectrum and in particular the opening
of new mobile communication bands at the lower end of the spectrum exacerbate these challenges. Design and characterization of multiport antennas have therefore become subject of high interest and of numerous research projects in
both academia and industry.
This dissertation contributes to the development of systematic design procedures for multiport antennas with emphasis on accounting for the restrictions and side conditions which apply when designing multiport antennas for actual consumer equipment. The dissertation has developed along an industry funded research project, with a focus on electrically small devices where antenna design is constantly faced with fundamental physical limits.
Chapter 1 gives an overview of the state of the art in antenna characterization and design techniques applicable to multiport antennas for MIMO.
Chapter 2 introduces into the analysis of multiport antennas in terms of their radiation modes. Modal analysis, based on spectrum of the radiation matrix, allows for unambiguous characterization of a multiport antenna by means of
invariant properties. Modal descriptive quantities are defined which are basic to the design approach followed in this dissertation. Analyzing a multiport antenna with respect to its radiation modes is possible only after a design concept has been conceived. More fundamental from a design point of view is the question for the space of feasible radiation modes and
their realization under the constraint of a given chassis form factor.
Chapter 3 addresses this question based on the theory of characteristic modes for conducting bodies. The relevant properties of characteristic modes on the chassis of mobile terminals are reviewed. The excitation of characteristic modes by
means of capacitive and inductive coupling elements is investigated in detail.
Finally, a systematic design approach for multiport antennas is presented in which the antenna’s radiation modes are constructively derived from the usable characteristic chassis modes.
Chapter 4 deals with design of matching networks for N-port antennas. Starting from the general expression for the scattering matrix of an ideal 2N-port matching network different topologies and alternative implementations are discussed. As a solution of particular interest in cases where some radiation modes feature insufficient bandwidths, special attention is given to systematic
design of MDN which maps radiation modes to external ports of the antenna system.
Chapter 5 focuses on the particular problems encountered in the design of antenna systems for extremely small mobile wireless terminals. After a review of applicable fundamental limits bandwidth estimation and approaches to maintain a decent total efficiency are discussed. The combination of electrical
switching in the antenna structure with electrical tuning in an external matching network is suggested in this context. The DL-MIMO concept is introduced as a system level measure to cope with insufficient bandwidth. The different aspects are exemplified with the design of a 2-port MIMO antenna for a USB
dongle.
Chapter 6 describes in detail design, fabrication and measurement of four antenna prototypes. The validity of the design approach described in the previous chapters is confirmed.
In conclusion, a systematic design approach, which combines the theory of characteristic chassis modes for conducting bodies with modal analysis of a multiport antenna, i.e. considers the spectrum of its radiation matrix is presented. The approach is successfully applied to a number of practically relevant design problems. The design technique permits identification of near optimum antenna solutions which approach the fundamental limits of attainable
bandwidth and total efficiency.Systematischen Entwurf von Multiport-Antennen für MIMO-fähigen Mobilfunkendgeräte
Die Mobilkommunikation hat in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung durchlaufen. Eine der wesentlichen technischen Weiterentwicklungen ist der Übergang zu MIMO Übertragungsverfahren, in großem Maßstab beginnend mit der Einführung des 3GPP Standards LTE und in grÖßerem Umfang noch im zukünftigen LTE-Advanced. Mobile Endgeräte müssen dazu mit Mehrtorantennen ausgestattet sein. Der Begriff Mehrtorantenne bezeichnet eine Anordnung von zwei oder mehr Antennenelementen, die im gleichen Fequenzbereich
betrieben werden und auf einer gemeinsamen Plattform angeordnet sind. Die Verringerung des je Antennenelement zur Verfügung stehenden Volumens und die starke Kopplung zwischen den Antennenelementen führen auf neue Herausforderungen
für den Entwurf. Neue, systematische Entwurfsmethoden jenseits
der klassischen Methoden für den Entwurf von Einzelantennen sind gefordert. Die fortschreitende Miniaturisierung mobiler Endgeräte, die Erweiterung des für den Mobilfunk genutzten Spektrums und insbesondere die Öffnung neuer Bander am unteren Ende des Spektrums für den Mobilfunk verschärfen die Anforderung an die Entwurfsmethodik. Entwurf und Charakterisierung von
Mehrtorantennen sind deswegen heute Themen von großem Interesse und Gegenstand zahlreicher industrieller und akademischer Forschungsprojekte.
Die vorliegende Dissertation liefert einen Beitrag zur Entwicklung systematischer Entwurfsverfahren für Mehrtorantennen unter besonderer Berücksichtigung der Einschränkungen und Randbedingungen die beim Entwurf von kommerziellen Endgeräten vorliegen. Zahlreiche Fragestellungen ergaben sich aus einem vom Verfasser bearbeiteten industriellen Forschungs- und Entwicklungsprojekt mit Schwerpunkt auf elektrisch kleinen Endgeräten, bei denen der Entwurf stets mit fundamentalen physikalischen Schranken konfrontiert ist.
Kapitel 1 gibt einen Überblick über den Stand der Technik auf dem Gebiet des Entwurfs und der Charakterisierung von Mehrtorantennen für MIMO Anwendungen.
Kapitel 2 führt in die Analyse von Mehrtorantennen mit Hilfe ihrer Strahlungsmoden ein. Die modale Betrachtung auf Grundlage des Spektrums der Strahlungsmatrix gestattet es, Mehtorantennen mit Hilfe ihrer invarianten Eigenschaften eindeutig zu charakterisieren. Es werden die modalen Beschreibungsgrössen definiert auf denen der in dieser Arbeit verfolgte Entwurfsansatz
basiert. Die Strahlungsmoden einer Mehtorantenne können jedoch erst betrachtet werden, wenn ein Entwurf bereits vorliegt. Die vom Standpunkt der Entwurfsmethodik wichtigere Frage ist die nach Raum der unter den Einschränkungen eines gegebenen Geräte-Formfaktors realisierbaren Strahlungsmoden.
Sie wird in Kapitel 3 auf Grundlage der Theorie Charakteristischer Moden leitender
Körper behandelt. Die relevanten Eigenschaften charakteristischer Moden auf dem Gehäuse elektrisch kleiner mobiler Endgeräte werden betrachtet. Die Anregung charakteristischer Moden mit Hilfe von kapazitiven und induktiven Koppelelementen wird ausführlich untersucht. Abschließend wird ein Entwurfsansatz
für Mehtorantennen beschrieben, in welchem die Strahlungsmoden
der Antenne konstruktiv aus den nutzbaren charakteristischen Moden des Gehäuses abgeleitet werden.
In Kapitel 4 werden Anpassnetzwerke für N-Tor Antennen behandelt. Ausgehend von der allgemeinen Formulierung für die Streumatrix des benötigten 2N-Tor Netzwerkes werden verschiedene Topologien und Realisierungsalternativen
diskutiert. Gesondert betrachtet werden noch einmal MDNs, welche die Strahlungsmoden einer Mehtorantenne unmittelbar auf die Speisetore abbilden, da sie in Falle unzureichender modaler Bandbreiten, von besonderem Interesse sind.
Kapitel 5 fokussiert auf die besonderen Probleme bei beim Entwurf extrem kleiner Antennensysteme. Nach Betrachtung in die maßgeblichen physikalischen Beschränkungen werden die Abschätzung erreichbarer Bandbreiten und Maßnahmen zur Sicherstellung eines akzeptablen Wirkungsgrades diskutiert.
Vorgeschlagen wird in diesem Zusammenhang die Kombination von elektrisch rekonfigurierbaren Antennenstrukturen mit elektrisch abstimmbaren Anpass-Netzwerken. Die verschiedenen Aspekte werden am Beispiel des Entwurfs eines
2-Tor MIMO Antennensystems für einen USB Dongle erläutert.
pKapitel 6 beschreibt im Detail den Entwurf, die Herstellung und die messtechnische Charakterisierung vier unterschiedlicher Prototypen von Mehrtorantennen. Anhand der Beispiele wird der in den vorherigen Kapiteln entwickelte Entwurfsansatz validiert.
Insgesamt wird mit dieser Arbeit ein systematischer Entwurfsansatz vorgeschlagen,
der auf der Kombination der Theorie charakteristische Moden leitender Körper mit der modalen Analyse von Mehrtorantennen, d.h. der Betrachtung des Spektrums der Strahlungsmatrix aufbaut. Der Ansatz wird erfolgreich auf eine Reihe praktisch relevanter Entwurfsaufgaben angewandt. Er führt auf ein systematisches Entwurfsverfahren, das es gestattet, Lösungen in der Nähe
der physikalischen Grenzen für die erreichbare Bandbreite und den Wirkungsgrad aufzufinden
Dementia as risk factor for amputation in patients with peripheral arterial disease
No full textIn einem Zeitraum von März 2011 bis Februar 2012 führten wir an 104 freiwilligen stationären Patienten am Helios Klinikum Krefeld einen Mini Mental Status Test und einen Uhren Zeichen Test durch. Wir bildeten drei Gruppen, Patienten mit nachgewiesener PAVK ohne Major-Amputation, Patienten mit PAVK und Major-Amputation und eine unfallchirurgische Kontrollgruppe.
Wir untersuchten Daten des Statistischen Bundesamtes zu den Hauptdiagnosen PAVK, Bauchaortenaneurysma (BAA), Myokardinfarkt (MI) und Hüftfraktur (HF) sowie die jeweils assoziierte chirurgische Prozedur (Minor und Major-Amputation, aortokoronarer Bypass, endovaskuläre Therapie des Aortenaneurysma und Implantation einer Endoprothese am Hüftgelenk und ermittelten die Rate an Demenz je Diagnose beziehungsweise Prozedur. Die Rate an Demenz ist am höchsten unter Patienten mit der Hauptdiagnose Hüftfraktur. Unter den Prozeduren ist die Rate an Demenz am höchsten bei Patienten, die eine Amputation erhalten (Major-Amputation circa 18 Prozent, Minor-Amputation circa 8 Prozent). Es zeigt sich ein nahezu linearer Anstieg der Demenzrate in Abhängigkeit vom Alter für die Prozeduren Implantation einer Endoprothese am Hüftgelenk und Amputation. Fast 50 Prozent aller Patienten über 90 Jahre und älter mit Amputation weisen eine Demenz auf, jedoch nur 37 Prozent der Patienten in dieser Altersgruppe, die einen Endoprothese am Hüftgelenk erhalten, leiden an Demenz. Daraus schlussfolgern wir, dass, obwohl sowohl die Hüftfraktur als auch die PAVK mit Demenz assoziiert sind, die Risiko-Nutzen-Abwägung für größere Operationen, Hüftgelenksersatz und Major-Amputationen unterschiedlich ist. Am Helios Klinikum Krefeld fanden wir die meisten dementen Patienten bei den Amputierten (53 Prozent). Die unfallchirurgischen Patienten haben die besseren Ergebnisse im Mini Mental Status Test. Im Gesamtkollektiv weisen 24 Prozent der untersuchten Patienten eine Demenz auf. Von den dementen Patienten hatten nur 7 von 21 (33 Prozent) in der Nebendiagnose eine Demenz kodiert. 7 Prozent der im Mini Mental Status Test unauffälligen Patienten hatten bei Entlassung trotzdem eine Demenz kodiert. Die Demenz findet keine ausreichende Beachtung bei dem behandelnden Personal. Nur ein Drittel der Demenzkranken war dem Personal aufgefallen und hatte bei der Entlassung eine Demenz kodiert
Vom metallorganischen Precursor zum nanoskaligen Material
No full textDas Ziel der Arbeit war zum einen die Synthese und strukturelle Charakterisierung von metallorganischen Precursoren und zum anderen deren Eignung zur nasschemischen Synthese nanoskaliger thermoelektrischer Materialien und Halbleiter zu untersuchen
Precursorsynthesen und -charakterisierung:
In dieser Arbeit konnten erstmals, mithilfe der lasergestützten in situ Kristallisationstechnik, Einkristallstrukturen von metallorganischen Gruppe-V- und Gruppe-V/VI-Verbindungen mit kleinen organischen Resten gemessen werden. Die Verwendung von sterisch weniger anspruchsvollen Resten wie Ethyl- oder Methylgruppen ermöglichte die Betrachtung von interessanten und unbekannten intermolekularen Wechselwirkungen und die daraus resultierenden Packungseffekte im Kristallgitter.
So lieferten die Messungen der Kristallstrukturen von Sb2Et4 (1) und Bi2Et4 (2) überraschenderweise unterschiedliche Ergebnisse. Sb2Et4 (1) bildet durch intermolekulare Wechselwirkungen lineare Ketten, während Bi2Et4 (2) keine intermolekularen Bi---Bi Wechselwirkungen im Festkörper zeigt. Dadurch konnte erstmalig und entgegen bisheriger Literaturergebnisse gezeigt werden, dass analog substituierte Distibane und Dibismutane nicht isostrukturell sein müssen. Des Weiteren konnten zwei unterschiedliche Kristall-strukturen für das thermochrome Sb2Et4 (1a und 1b) gemessen werden. Die Strukturlösungen der gelben und roten kristallinen Phase ergaben zwar zwei unterschiedliche Kristallgitter, innerhalb dieser Kristallgitter wurden aber in beiden Fällen nahezu identische intermolekulare Sb–Sb-Wechselwirkungen beobachtet. Durch Beobachtung konnte bewiesen werden, dass nicht das alleinige Vorhandensein von intermolekularen Wechselwirkungen für die Thermochromie des Sb2Et4 verantwortlich sein können. Aufgrund dieser Ergebnisse kann die Erklärung für den Ursprung der bathochromen Verschiebung thermochromer Verbindungen nicht vollständig sein.
Des Weiteren wurden die thermolabilen Chalkogeninsertionsprodukte des Sb2Et4 und Bi2Et4 synthetisiert und röntgenkristallographisch untersucht. Die Kristallstrukturen der Bis(dialkyl-stibanyl)chalkogenane E(SbR2)2 (R = Et, E = S (3), Te (5); R = Me, E = Te (6)) wiesen sehr interessante Packungsbilder auf. Während in der Kristallpackung des S(SbEt2)2 (3) nur intermolekular Sb–S-Wechselwirkungen zu beobachten waren, traten in den Kristall-packungen von Te(SbEt2)2 (5) und Te(SbMe2)2 (6) zusätzlich intermolekulare Sb–Sb-Wechselwirkungen auf. Dies führte dazu, dass das S(SbEt2)2 (3) eine Zickzack-Kettenstruktur ausbildete, die Verbindungen Te(SbR2)2 (5 und 6) hingegen die charakteristische Leiterstruktur. Weiterhin konnten unterschiedliche Bindungsumgebungen für S und Te beobachtet werden, wobei S einen trigonal planaren 2+1 Koordinationsmodus und Te einen T-förmigen 2+1 Koordinationsmodus, unabhängig vom Alkylrest, einging. Alle Versuche Se(SbEt2)2 (4) zu kristallisieren schlugen leider fehl.
Die Bis(diethylbismutanyl)chalkogenane E(BiEt2)2 (E = S (7), Se (8), Te (9)) unterscheiden sich allein schon dahingehend von ihren Antimonhomologen, indem sie Feststoffe und keine Flüssigkeiten bilden. Im Vergleich zu den Bis(dialkylstibanyl)chalkogenanen bildeten die Verbindungen E(BiEt2)2 (E = S (7), Se (8), Te (9)) keine Ketten- oder Leiterstrukturen, sondern dreidimensionale Netzwerke. Das übergeordnete Strukturmotiv konnte als verzerrtes Adamantangerüst identifiziert werden, wobei die Bi-Atome annähernd linear und die Chalkogenatome verzerrt tetraedrisch vorlagen. Die Verzerrung der Tetraeder und damit die Verzerrung des Adamantangerüsts nahm mit steigender Ordnungszahl des Chalkogens zu.
Für die langbekannten Trialkylchalkogenostiborane Et3SbS (10) und Et3SbSe (11) konnten ebenfalls Kristallstrukturen bestimmt und die Molekülstrukturen charakterisiert werden. Auffällig daran waren das Fehlen intermolekularer Wechselwirkungen in der Kristallpackung, die tetraedrische Koordination des Sb-Atoms und die Bindungsordnung der Sb–E-Bindung, die am besten als polarisierte kovalente Bindung mit Doppelbindungscharakter beschrieben werden sollte. Zudem wurde die kürzeste jemals gemessene Sb–Se-Bindung mit 2.4062(8) Å im Et3SbSe Molekül (11) ermittelt, was auf einen vergleichsweise hohen π-Bindungsanteil hindeutet.
Zuletzt wurden die Diethyl(ethyltelluro)stibane und -bismutane Et2SbTeEt (12) und Et2BiTeEt (13) synthetisiert und röntgenkristallographisch charakterisiert. Interessant war hier vor allem die unterschiedliche Te-Koordinationsumgebung. Während im Et2SbTeEt (12) ein fast linearer M–Te∙∙∙M Winkel von 160.50(1)° beobachtet wurde, ist der M–Te∙∙∙M Winkel im Et2BiTeEt (13) mit 110.04(1)°) deutlich unterschiedlich. Zwar bildeten beide Moleküle über intermolekulare Wechselwirkungen Kettenstrukturen, die im Et2BiTeEt (13) konnte jedoch besser als Zickzack-Kette beschrieben werden.
Partikelsynthesen:
In diesem Teil der Arbeit wurden die zuvor synthetisierten metallorganischen Precursoren in nasschemischen Nanopartikelsynthesen thermolysiert. Zu diesem Zweck wurden geeignete Synthesemethoden entwickelt, die innerhalb einer Glovebox durchführbar waren, um eine mögliche Oxidation der Precursoren durch Luftsauerstoff zu verhindern. Die Thermolysen selber fanden in hochsiedenen Lösungsmitteln wie DIPB und OA in Gegenwart geeigneter capping agents statt. Auf diese Art und Weise konnten Bismut-, Gruppe V/VI-, ternäre Gruppe V/VI- und GeTe-Nanopartikel generiert werden. Desweiteren konnten thermische Daten aller Precursoren mithilfe von DSC-Messungen aufgenommen werden.
Im ersten Teil dieses Kapitels konnten einkristalline und annähernd monodisperse 25 nm große Bismut Pseudokuben synthetisiert werden. Dies gelang durch die kontrollierte Thermolyse des Precursors Bi2Et4 (2) in der Gegenwart von Na[N(SiMe3)2] und PVP. Dies war die erste bekannte Thermolyse eines niedervalenten Organobismut-Precursors. Der gemeinsame Einsatz der capping agents Na[N(SiMe3)2] und PVP waren unabdingbar für die Nanopartikelsynthese, da sie sowohl zur Größen- und Formkontrolle als auch zur Stabilisierung der Kolloide in Lösung nötig waren. Die größeren pseudokubischen Bi-Partikel entstanden in einer Folgethermolyse des in situ generierten BiEt3 bei 170 °C, indem die neu entstanden Bi-Atome auf den Facetten der Bi-Nanopseudokuben aufwuchsen.
Im Anschluss daran konnten sehr dünne (d < 30 nm) und einkristalline hexagonale Sb2Te3 Nanoplättchen durch die Thermolyse der Single-Source-Precursoren Te(SbEt2)2 (5) und Et2SbTeEt (12) synthetisiert werden. Es hat sich hierbei herausgestellt, dass die Benutzung von PVP* entscheidend für die Synthese nicht-agglomerierter und größenselektiver Nanoplättchen ist. Die thermoelektrische Charakterisierung eines kaltgepressten Pellets zeigte, dass der Seebeckkoeffizient mit 150 µV/K bei Raumtemperatur einen sehr guten Startpunkt für weitere thermoelektrische Untersuchungen lieferte, da die Precursoren Sb2Te3 mit einem sehr niedrigen antisite Defekt generierten.
Analoge Nanopartikelsynthesen konnten ebenfalls mit den Single-Source-Precursoren S(SbEt2)2 (3), Se(SbEt2)2 (4), Et3SbS (10) und Et3SbSe (11) erfolgreich durchgeführt werden. Es zeigte sich, dass die Thermolysen bevorzugt Sb2S3-Nanobündel und Sb2Se3-Nanostäbchen bzw. Nanodrähte lieferten. Der Durchmesser der gebildeten einkristallinen Nanodrähte belief sich auf Werte d < 20 nm, wobei sie einige µm lang waren. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die co-Thermolyse von S(SbEt2)2 (3) und Se(SbEt2)2 (4) den Zugang zu ternären Sb2SxSey ermöglicht, wohingegen weitere co-Thermolysen sowohl von S(SbEt2)2 (3) und Te(SbEt2)2 (5) als auch von S(SbEt2)2 (4) und Te(SbEt2)2 (5) Phasen-gemische erzeugten.
Die Ergebnisse aus den Thermolysen von E(BiEt2)2 (E = S (7), Se (8), Te (9)) und Et2BiTeEt (13) waren dahingehend überraschend, dass in keiner Synthese das erwartete Bi2E3 gebildet wurde. Anstatt dessen konnten die Bismutchalkogenide Bi4Te3 und Bi2Te synthetisiert werden. Die einkristallinen Bi4Te3-Partikel waren zwar sehr klein (20 – 60 nm), besaßen aber keine definierte Morphologie.
Abschließend wurde die Synthese von GeTe-Oktaedern durch die Reaktion von GeCl2∙Dioxan mit Te(SiEt3)2 bei Temperaturen von 160 °C durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten wie wichtig die Wahl der richtigen Lösungsmittels war. Die Partikelsynthese gelang ausschließend in Gegenwart von primären oder sekundären Aminen wie z.B. Oleylamin. Die Rolle der Amine beschränkte sich aber nicht nur auf die eines Lösungsmittels, sondern nahm zudem die eines capping agents und Reaktanten ein. Die Anwesenheit eines protischen Lösungsmittels war demnach zwingend notwendig für die Bildung von größen- und formselektiven GeTe-Oktaedern. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich während der Reaktion gebildetes Te auf den GeTe-Oktaedern, durch Reaktion mit TOP wieder entfernt werden konnten
Short-Range Super-Resolution Feature Extraction of Complex Edged Contours for Object Recognition by Ultra-Wideband Radar
No full textThis thesis contributes to the field of short-range ultra-wideband (UWB) Radar. In particular, an object recognition approach performed by a bi-static UWB Radar has been investigated in this thesis. The investigated objects consist of simple canonical and some polygonal complex objects which are scanned on a circular track at about 1 m distance. Geometrical features, texture features and moment based features are extracted from the Radar data to carry out the recognition. Yet, the precise temporal evolution is subject to massive distortions, mainly caused by severe interference conditions and transient effects of the hardware.
Thus, super-resolution algorithms have been developed which go far beyond the classical bandwidth given resolution and asked for research on various fields: (i) An innovative wavefront extraction algorithm with polarimetric diversity exploitation has been developed to separate pulses which overlap almost the whole pulse duration; (ii) a highly precise feature extraction algorithm has been developed which localises significant scattering centres by processing the previously extracted wavefronts; (iii) a novel UWB object recognition algorithm has been developed to classify and discriminate the resulting microwave images.
When scanning objects from all sides, exceptional recognition of objects was achieved by a minimum mean squared error classifier. Further improvement in recognition was obtained, especially at severly restricted tracks, by the application of Bayes theory which constitutes a superior classifier to the above.
In addition to the main field of research, a novel stereoscopic 3D UWB imaging algorithm, based on a spatially spanned synthetic aperture in conjunction with ellipsoidal shaped wavefronts, has been developed.
The ultimate test of any model and system is an experimental validation.
Consequently in this thesis, all developed algorithms and the object recognition as a whole system are experimentally validated within an elaborate measurement campaign
Hemmung von verdauungsrelevanten Enzymen durch Einsatz neuer Affinitätspolymere
No full textIm Rahmen dieser Doktorarbeit wurden verdauungsrelevante Enzyme durch oberflächen-affine Haftgruppen auf der Basis von Polymeren inhibiert. Zu diesem Zweck wurde eine Vielzahl von bereits etablierten wie auch neuen Monomeren erfolgreich synthetisiert. Die Polymerisation dieser erfolgte über ein bereits bekanntes Polymerisationsverfahren, welches zudem optimiert wurde. Durch kinetische Bestimmungen aus insgesamt 52 Polymerisations-versuchen konnten die ökonomisch besten Polymerisationsparameter bestimmt werden. Das bekannte Verfahren wurde durch einen Reinigungsschritt erweitert. Die Reinigung von Monomer-, Oligomer- und Lösemittelresten des erhaltenen Produktgemisches erfolgte mittels Ultrafiltration. Eine Optimierung des bekannten Verfahrens ermöglichte die Darstellung hochreiner Polymere innerhalb einer Woche. Im Rahmen dieser Arbeit wurden nach diesem Verfahren über 50 hochreine Polymere erfolgreich synthetisiert und charakterisiert.
Die Wirksamkeit der Polymere als Inhibitoren wurde mithilfe von Enzym-Assays kontrolliert. Nach der erfolgreichen Etablierung der jeweiligen Messmethode gab ein Enzym-Screening Auskunft über die Wirksamkeit des jeweiligen Polymers. Durch IC50-Messungen der wirksamen Polymere konnte die Effektivität der Inhibition ermittelt werden, wodurch ferner inhibitionsrelevante Haftgruppentrends erfasst werden konnten. So konnte im Rahmen dieser Arbeit die Enzyme Trypsin, α-Chymotrypsin, Carboxypeptidase A, Kallikrein, Thrombin und Cathepsin D erfolgreich durch polyvalente Rezeptoren gehemmt werden. Jedoch konnte lediglich Cathepsin D hochselektiv inhibiert werden. Weiterführende Studien an Trypsin in Form von ITC- und Lineweaver-Burk-Messungen gaben Auskunft über den vorliegenden Mechanismus der Inhibierung
Eine Verschiebung in der Balance zwischen fehlerfreien und fehlerhaften DNA-Doppelstrangbruch-Reparaturwegen als neuer Mechanismus für Strahlensensibilisierung durch Nukleosidanaloge
No full textAchieving improvements in cancer therapy is one of the major challenges of contemporary medicine. Combining drug treatment and radiotherapy to achieve synergistic killing of cancer cells is one of the most promising current approaches towards this goal. Aim of this thesis was to elucidate mechanisms of radiosensitization by nucleoside analogs (NAs), a highly promising class of chemotherapeutics, using 9-beta-D-arabinofuranosyladenosine (ara-A) as a model compound.
Towards this goal, we investigated in detail the effect of ara-A on the repair of DSB. We
established that ara-A inhibits homologous recombination repair (HRR) and showed that
this inhibition plays an important role in the radiosensitization of exponentially growing
human tumor cells.
We also examined the effect of ara-A on pathways of non-homologous end-joining (NHEJ). We found an increase in the frequency of erroneous DSB repair events in two cellular reporter assays. However, we could not detect a decrease by ara-A in the overall DSB repair efficiency in repair proficient cancer cells exposed to high doses of IR, when tested in the G1 or G2 phase of the cell cycle by pulsed-field gel electrophoresis (PFGE). This result implied a switch between DSB repair pathways, rather than an overall inhibition of DSB repair.
Through examination of DSB repair by PFGE in repair deficient cells we could show for
the first time promotion of error prone backup pathways of non-homologous end-joining
(B-NHEJ) by a NA. Ara-A enhanced the repair of DSB by B-NHEJ in human tumor cells.
Furthermore, ara-A treatment completely abrogated the plateau-phase-dependent inhibition of B-NHEJ in mouse cells, causing a dramatic restoration of DSB repair. Investigation of IR induced damage foci by immunofluorescence microscopy confirmed the above observations and implicated end-resection and deregulation of DSB signaling as underlying mechanisms. We conclude that in cycling cells treatment with ara-A causes direct inhibition of HRR resulting in radiosensitization. At the same time the balance of NHEJ is shifted towards the more error prone B-NHEJ. Over-activation of mutagenic B-NHEJ is likely to make an important contribution to radiosensitization by ara-A, especially in G1 and plateau phase cells, but also in G2 and S-phase cells.
Our findings reveal a novel mechanism of radiosensitization by nucleoside analogs. That
opens new avenues in the investigation of interactions of these drugs with IR and may
have important implications for the clinical application of NAs as radiosensitizers.Verbesserungen in der Behandlung von Krebsleiden zu erzielen gehört zu den großen Herausforderungen der modernen Medizin. Die Kombination von chemotherapeutischen Wirkstoffen mit Strahlentherapie um einen synergistischen Effekt bei der Abtötung von Tumorzellen zu erhalten, ist hierbei gegenwärtig einer der vielversprechendsten Ansätze. Das Ziel dieser Promotionsarbeit war es Mechanismen der Strahlensensibilisierung durch Nukleosidanaloge am Beispiel von 9-beta-D-Arabinofuranosyladenosin (ara-A) aufzuklären.
Hierzu wurde der Einfluss von ara-A auf die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) untersucht. Wir konnten beobachteten das ara-A Reparatur die homologe Rekombination (HRR) inhibiert und konnten zeigen das diese Hemmung eine wichtige Rolle bei der Strahlensensibilisierung von exponentiell wachsenden, humanen Tumorzellen spielt.
Wir untersuchten auch die Effekte von ara-A auf Reparaturwege der nicht-homologen-Endverknüpfung (NHEJ). In zwei Reporterzellsystemen konnten wir einen durch ara-A ausgelösten Anstieg der Häufigkeit fehlerhafter DSB-Reparaturereignisse beobachten. Es konnte jedoch keine Veränderung der allgemeinen Effizienz der DSB Reparatur in Reparatur-kompetenten Zellen durch ara-A Behandlung in Pulsfeld-Gelelektrophorese-Experimenten (PFGE) festgestellt werden. Diese Ergebnisse deuteten auf eine Verschiebung der Aktivität zwischen verschiedenen Reparaturwegen anstelle einer allgemeinen Hemmung der Reparatur hin.
Durch Untersuchung der DSB-Reparatur in Reparatur-inkompetenten Zellen mit Hilfe der PFGE konnten wir zum ersten Mal eine Beförderung der besonders fehleranfälligen, alternativen Backup-Mechanismen der NHEJ (B-NHEJ) durch ein Nukleosidanalog zeigen. Ara-A verstärkte die Reparatur von DSB durch B-NHEJ in aktiv wachsenden humanen Tumorzellen. Des Weiteren konnte in Mauszellen durch Behandlung mit ara-A die Plateauphase-abhängige Unterdrückung des B-NHEJ vollständig aufgehoben werden, was zu einem dramatischen Anstieg der Reparaturkompetenz in diesen Zellen führte. Die Untersuchung von durch ionisierende Strahlung hervorgerufenen, nukleären gamma-H2AX, ATM und 53BP1-Foci bestätigte diese Beobachtungen und deutete auf eine Deregulierung der durch DSB ausgelösten Signalwege und einer möglichen Rolle der Endresektion als zugrunde liegende Mechanismen hin.
Wir schließen, dass Behandlung mit ara-A in proliferierenden Zellen durch direkte Hemmung der HRR zur Strahlensensibilisierung führt. Gleichzeitig wird die Balance des NHEJ in Richtung des fehlerhafteren B-NHEJ verschoben. Die Überaktivierung der mutagenen B-NHEJ trägt mit hoher Wahrscheinlichkeit ebenfalls zur Strahlensensibilisierung durch ara-A bei, vor allem in der G1- sowie der Plateau-Phase des Wachstums, aber auch in der G2- und S-Phase.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen neuen Mechanismus der Strahlensensibilisierung durch Nukleosidanaloge auf. Diese neuen Erkenntnisse ermöglichen es neue Wege bei der Untersuchung der Interaktionen dieser Wirkstoffe mit ionisierender Strahlung zu beschreiten und könnten wichtige Implikationen für die klinische Anwendung von Nukleosidanalogen als Strahlensensibilisierer haben
Reaction of hydromorphology, macroinvertebrates and riparian fauna
No full textHintergrund
Im Zuge der Maßnahmenplanung an Fließgewässern werden zunehmend Maßnahmen zur Verbesserung der Hydromorphologie der Fließgewässer (Renaturierungsmaßnahmen) not-wendig. Ausgangspunkt dafür ist die über weite Strecken stark defizitäre hydromorphologi-sche Ausstattung der Fließgewässer in Folge von technischen. Diese Situation spiegelt sich in den Ergebnissen der Bestandsaufnahme und des Monitoring nach EU-WRRL wider.
Um die finanziellen Mittel für die Renaturierungen effizient einsetzen und die ökologisch sinnvollsten Maßnahmen umsetzen zu können, sind Erkenntnisse zu deren Wirkung auf die Habitatvielfalt und die Lebensgemeinschaften unerlässlich. Die Auswirkungen einer durch Renaturierungsmaßnahmen veränderten Laufform auf die Strömungs- und Substratverhält-nisse in Fließgewässern und damit auf die Besiedlung des Makrozoobenthos ist noch nicht in ausreichendem Maße erforscht. Das gilt auch für die Wirkungen derartiger Umgestaltungs-maßnahmen auf die Ausprägung und Dynamik der wechselfeuchten Bereiche an den Ufern und in den Gewässerauen und damit auf die Besiedlung dieser Bereiche durch Laufkäfer und Spinnen.
Zielsetzung
Zur Verbesserung der wissenschaftlichen Erkenntnisse zu dieser Fragestellung wurden im Rahmen der Dissertation an der Niers, einem organisch geprägten Fluss im linksniederrhei-nischen Tiefland, zwei renaturierte Gewässerabschnitte mit einem degradierten Gewässer-abschnitt verglichen. Im Fokus standen dabei die hydromorphologische Ausstattung von Gewässer und Aue sowie die Zusammensetzung der Artengruppen Makrozoobenthos, Lauf-käfer und Spinnen. Die in den Jahren 2000 und 2006 durchgeführten Maßnahmen umfass¬ten Laufverlegungen und Laufaufweitungen, die Anlage einer Ersatzaue mit feuchten Mulden und Stillgewässern sowie den Einbau von Totholz.
Ziel war es, Art und Umfang von hydromorphologischen und biologischen Veränderungen zwischen den ausgebauten und renaturierten Abschnitten auf der räumlichen und zeitlichen Skala aufzuzeigen und zu bewerten.
Durch Aufzeigen von Art und Ausmaß der Unterschiede in den Habitatbedingungen und der Besiedlung und konnten Aussagen zur Effizienz der durchgeführten Maßnahmen getroffen werden. Es wurden solche Metrics ermittelt, die die eingetretenen Veränderungen am besten beschreiben und sich als potenzielle Indikatoren für Renaturierungsmaßnahmen eignen. Diese Informationen ermöglichten die Ableitung eines Mindestumfangs von Untersuchungen zur Erfolgskontrolle. Zudem konnten Hinweise zur Maßnahmenoptimierung abgeleitet wer-den. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zum Verständnis von Maßnahmenwirkungen und zur Optimierung der Planung und Umsetzung weiterer Renaturierungsmaßnahmen.
Untersuchte Hypothesen
1. Hydromorphologische Parameter sind in den renaturierten Abschnitten auf allen Skalen diverser als im degradierten Abschnitt
2. Die Besiedlung des Makrozoobenthos weist Unterschiede zwischen den renaturierten und dem degradierten Abschnitt auf - die renaturierten Abschnitte zeigen Anzeichen für eine verbesserte, typspezifischere Besiedlung
3. Die Besiedlung des Makrozoobenthos in vergleichbaren Habitaten ist diverser in den re-naturierten Abschnitten
4. Die Besiedlung durch die Uferfauna ist in den renaturierten Abschnitten diverser als im degradierten Abschnitt
5. Das Wiederbesiedlungspotenzial des Makrozoobenthos im Nierseinzugsgebiet ist gering. Die Besiedlung der renaturierten Abschnitte mit weiteren wertgebenden Taxa ist einge-schränkt.
Methoden
Entlang von Transekten fand die Erfassung der hydromorphologischen Metrics in den Ab-schnitten statt (ca. 1.200 Messpunkte im aquatischen Bereich). Das Makrozoobenthos wurde substratspezifisch erfasst (ca. 250 Einzelproben). Die Aufnahme von Laufkäfern und Spin¬nen erfolgte über ca. 80 Barber-Fallen, die für einen Zeitraum von zwei Wochen ausgebracht wurden.
Anhand der erhobenen Daten wurden mittels verschiedener statistischer Verfahren (einfakto-rielle Varianzanalysen, Mann-Whitney-U-Test) Unterschiede in den hydromorphologischen Parametern sowie davon abhängig in der Besiedlung herausgearbeitet und hinsichtlich ihrer Signifikanz überprüft. Dazu wurden beim Makrozoobenthos Taxa und ihre Häufigkeiten sowie zahlreiche Metrics betrachtet, bei Laufkäfern und Spinnen wurden ausschließlich aus-gewählte Metrics analysiert. Zur Identifikation von Veränderungen durch die Maßnahmen wurden die Daten in Bezug auf die Einflussfaktoren Renaturierung „jung“, Renaturierung „alt“ und Sukzession differenziert.
Die Auswertungen dienten der Analyse der ökologischen Wirksamkeit der Renaturierungen, der Identifizierung von Kandidatenmetrics als potenzielle Indikatoren, die diese Wirkungen anzeigen und der Ableitung von Hinweisen für die Optimierung der Maßnahmenumsetzung.
Durch die Berücksichtigung der Besiedlung des Makrozoobenthos zwischen zwei Jahren konnte die natürliche Variabilität der Besiedlung erfasst und von den Wirkungen der Renatu-rierungen differenziert werden.
Ein Blick auf die Bestandssituation des Makrozoobenthos im gesamten Nierseinzugsgebiet auf Grundlage vorhandener Daten diente der Analyse des vorhandenen Wiederbesiedlungs- und Artenpotenzials. Unter Berücksichtigung von Ausbreitungshemmnissen sollten Hinweise auf die weitere Wiederbesiedlung der umgestalteten Abschnitte im Hinblick auf die Zielerrei-chung nach EU-WRRL sowie auf mögliche Artendefizite im Einzugsgebiet abgeleitet werden.
Ergebnisse
Hydromorphologie im Vergleich renaturiert-degradiert
Die hydromorphologischen Merkmale der Makro-, Meso- und Mikro-Ebene wurden zwischen den Gewässerabschnitten verglichen. Die renaturierten Ab¬schnitte zeigten dabei eine deut¬lich erhöhte makro- und mesoskalige Struktur- und Habitat¬vielfalt. Die Uferlänge steigt um das 1,3 bis 1,5fache an, die Breite der amphibischen Zonen um den Faktor 3,3 bis 3,8. Die Anzahlen der Sohl-, Ufer- und Auenstrukturen sind um ein Vielfaches angestiegen und die Breite der Gewässerrandstreifen um das 1,9 bis 3,6 fache. Auf der Mikroebene waren die Unterschiede deutlich geringer. Diversität-Indices (Shannon-Wiener-Index und Spatial-Diversity-Index) für die Substratverteilung reagierten (noch) nicht. Allerdings wies die junge Renaturierung eine verringerte Wassertiefe, die ältere Renaturie¬rung eine verringerte Fließ-geschwindigkeit auf. Positiv zu bewerten sind die Anstiege der Anteile organischer (Makro-phyten, Detritus, Totholz) und hochwertiger Substrate (Kies, Grobkies) sowie eine höhere aquatische Habitatvielfalt.
Mehrere der signifikant reagierenden Metrics eignen sich als potenzielle Indikatoren, die auch frühzeitige Wirkungen der Renaturierungen auf die Hydromorphologie anzeigen. Diese Metrics sind auf der Makroebene:
Windungsgrad, Uferlänge, Einschnittstiefe, Bordvolle Breite;
auf der Mesoebene: Breite der amphibischen Zone, Anzahl der Sohl-, Ufer-, Auenstrukturen, Breite von Ersatzaue und Gewässerrandstreifen, Wasserspiegel Breite (bei MNW) und auf der Mikroebene: Anteile organischer Substrate (%-Anteil CPOM, %-Anteil Totholz, %-Anteil Makrophyten), Anteile hochwertiger Substrate (%-Anteil Akal, %-Anteil Mikrolithal), mittlere Fließgeschwindigkeit und aquatische Habitatvielfalt.
Die Hypothese „Hydromorphologische Parameter sind in den renaturierten Abschnitten auf allen Skalen diverser als im degradierten Abschnitt“ wird durch die Ergebnisse gestützt.
Makrozoobenthosbiozönosen im Vergleich renaturiert-degradiert
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Renaturierungsmaßnahmen zu ersten positi¬ven Veränderungen der Makrozoobenthosbiozönosen geführt haben. Diese Veränderungen drücken sich in erster Linie in der Reaktion verschiedener Metrics aus, weniger dagegen in der Reaktion einzelner Taxa oder der ökologischen Zustandsbewertung. Hohe Ähnlichkeiten in der Zusammensetzung deuten auf eine Angleichung an die degradierten Verhältnisse oberhalb hin und damit auf Einflüsse von oberhalb liegenden Belastungen.
Es konnten mehrere Metrics ermittelt werden, die sich als potenzielle Indikatoren eignen, die sich in Folge von Renaturierun¬gen verändern und deren Wirkungen widerspiegeln. Sie wur-den aus den Ergebnissen der Untersuchungen aller Substrate sowie nur der gemeinsamen Substrate abgeleitet.
Metrics, die sich infolge der Renaturierung verändern:
Trichoptera Taxazahl Dt. Faunaindex 15/17 (HK)
Trichoptera % % Phytal
Trichoptera (Abund.) Rheoindex (HK)
EPTCBO Dt. Saprobienindex neu
Dt. Faunaindex 15/17 Abundanz
Metrics, die sich infolge der Renaturierung und z.T. auch zeitlichen Entwicklung verän¬dern:
EPT % (HK) Anzahl Familien
EPT Taxazahl Anzahl Gattungen
EPT/Diptera BMWP
% Metapotamal % Akal
Auch die Metrics Taxazahl und Anzahl typischer (positiver) Fließgewässertaxa zeigen durch Zunahme positive Reaktionen in den Renaturierungen. Von den untersuchten Taxa zeigen Psychomyia pusilla, Heptagenia sulphurea, Baetis vernus, Hydroptila sp. und Ischnura elegans positive Reaktionen auf die Renaturierungen. Die für die Einflussfaktoren ermittelten potenziellen Indikatormetrics können zur Beurteilung der ökologischen Wirksamkeit und zur Dokumentation des Maßnahmenerfolgs herangezo¬gen werden. Eine Wiederholung der durchgeführten Untersuchungen könnte weitere Er¬kenntnisse zur Metriceignung und Lang-zeitreaktionen liefern.
Die Hypothese „Die Besiedlung des Makrozoobenthos weist Unterschiede zwischen den re-naturierten und dem degradierten Abschnitt auf - die renaturierten Abschnitte zeigen An-zeichen für eine verbesserte, typspezifischere Besiedlung“ wird durch die Ergebnisse unter-stützt.
Substratspezifische Makrozoobenthosbiozönosen
Ziel der Untersuchungen war die Ermittlung möglicher substratspezifischer Veränderungen der Besiedlung des Makro¬zoobenthos zwischen degradierten und renaturierten Abschnitten. Es wurde festgestellt, dass die Substrate Grobkies und Kies, Totholz und Makrophyten die höchsten Taxazahlen aufweisen und Totholz eine recht eigenständige Besiedlung besitzt. Diese Substrate sind besonders bedeutsam für die Besiedlung und sollten im Zuge von Maßnahmen zur Renaturierung gezielt wiederhergestellt werden.
Auf Basis einzelner Substrate zeigen sich positive Veränderungen des Makrozoobenthos in erster Linie in den Substraten Kies und Sand. Damit deutet sich an, dass die ermittelten Ver-besserungen von Metricausprägungen in den Substraten der renaturierten Abschnitte auf die Besiedlung der zusätzlichen angrenzenden, hochwertigen Substrate zurückgehen könnten. Die deutlichsten Wirkungen zeigen sich im Substrat Kies, in dem alle Einflussfaktoren meh-rere positive Metricreaktionen zeigen. Nachfolgend werden die wesentlichen Kandidaten-metrics vorgeschlagen, die bei weiteren Untersuchungen von Renaturierungen im Hinblick auf ihre Eignung als mögliche Indiaktoren zu testen wären.
Metrics, die sich infolge der Renaturierung verändern:
Trichoptera Taxazahl EPT Taxazahl
Trichoptera % EPTCBO
% Phytal Ephemeroptera Taxazahl
% Psammal Dt. Saprobienindex neu
% Rheo-limnophil Dt. Saprobienindex neu Ind.Taxa
BMWP Taxazahl
Dt. Faunaindex Typ
11/12 (HK, und Ind.Taxa) Dt. Faunaindex Typ 15/17 (HK)
Abundanz
Zur Erfassung von Verbesserungen der aquatischen Besiedlung eignet sich der Vergleich von jeweils gleichen Substrattypen zwischen renaturierten und degradierten Abschnitten. Da vor allem im Tiefland in den degradierten Gewässerstrecken organische und weitere hoch¬werti¬ge Substrate (v.a. Totholz, Kies, Grobdetritus, Grobkies) weitgehend fehlen, jedoch in der Regel besonders gut besiedelt sind, ist eine Erfassung der Besiedlung dieser Substrate be¬deutsam, um die zusätzlichen Taxa sowie ggf. weitere positive Metricausprägungen erfas¬sen zu können.
Die Hypothese „Die Besiedlung des Makrozoobenthos in vergleichbaren Habitaten ist diver-ser in den renaturierten Abschnitten“ wird durch die Ergebnisse teilweise unterstützt.
Uferfaunabiozönosen im Vergleich renaturiert - degradiert
Anhand von zahlreichen Metrics konnten überwiegend positive Veränderungen in der Zu-sammensetzung der Biozönosen der Laufkäfer und Spinnen festgestellt werden. Die Metrics hygrobionte/hygrophile Arten (Anzahl und Anteil) und Arten feucht-nasser Bioto¬pe (Anzahl und Anteil) spiegeln die deutlich verbesserte Überflutungshäufigkeit und -dauer sowie die Entwicklung feuchtegeprägter Lebensräume wider. Das Auftreten bzw. die Zunahme ripicoler Arten indiziert die naturnahe Ausprägung der Uferlebensräume. Signifi¬kante Verbesserungen wurden auch bei den Artenzahlen, dem Shannon-Wiener Index (nur Laufkäfer) und den stenotopen Arten festgestellt, die eine größere Habitatvielfalt der ufer- und auentypischen Lebensräume anzeigen.
Laufkäfer weisen insgesamt stärkere Reaktionen durch die Renaturierungen auf, so dass auch mehrere Indi¬katoren ermittelt werden konnten, die nachfolgend aufgeführt werden.
Indikatormetrics, die sich durch die Renaturierung und z.T. auch zeitliche Entwicklung verän-dern:
Laufkäfer Spinnen
Artenzahl Anzahl / Anteil Arten feucht-nasser Biotope
Shannon-Wiener Index Anteil Arten der Äcker und Ruderalfluren
Individuenzahl Anteil eurytope Arten
Anzahl / Anteil Arten feucht-nasser Biotope Anzahl hygrobionter, -philer Arten
Anzahl / Anteil Arten der veg.armen Ufer (ripicole Arten) Anteil xerobionter, -philer Arten
Anzahl / Anteil Arten der Äcker und Ruderalfluren
Anzahl / Anteil hygrobionter, -philer Arten
Anzahl / Anteil stenotope Arten
Anteil eurytoper Arten
Anzahl makroptere Arten
Anzahl / Anteil Frühjahrsbrüter
Anzahl / Anteil Rote Liste Arten
Die Metrics können zur Dokumentation des Maßnahmenerfolgs und für die Beurteilung der ökologischen Maßnahmenwirksamkeit in den Land-Wasser-Übergangsbereichen sowie Ge-wässerauen herangezogen werden. Es hat sich gezeigt, dass neben den ripicolen Arten im Tiefland auch die paludicolen Arten analysiert werden sollten, um Verbesserungen der Habi-tatvielfalt sowie der Überflutungs- und Auendynamik nachweisen zu können.
Eine erneute Erfassung der Uferfauna in den hier betrachteten Abschnitten (ab 2013) könnte weitere Erkenntnisse zur Metriceignung und zeitlichen Weiterentwicklung der Biozönosen von Laufkäfern und Spinnen liefern. Die Integration von Uferarthropoden in Monitoringpro¬gramme und Erfolgskontrollen ist sinnvoll zur Detektion kurzfristiger Effekte im Bereich der amphibischen und terrestrischen Lebensräume der Ufer und Auen und zur Feststellung von hydrologischen Effekten.
Die Hypothese „Die Besiedlung durch die Uferfauna ist in den renaturierten Abschnitten di-verser als im degradierten Abschnitt“ wird durch die Ergebnisse unterstützt.
Arten- und Besiedlungspotenziale im Einzugsgebiet am Beispiel des Makrozoobenthos
Im Gegensatz zur Feststellung von Wiederbesiedlungspotenzialen, die Messstellen mit einer „guten“ Besiedlung in Bezug auf die allgemeine Degradation bzw. einer großen Anzahl von Gütezeigern des Deutschen Faunaindex umfassen, werden unter Artenpotenzia¬len Einzel-vorkommen von wertgebenden Taxa verstanden. Artenpotenziale umfassen die bewertungs-relevanten Gütezeiger nach dem Deutschen Faunaindex sowie EPT-Taxa. Wiederbesied-lungspotenziale kommen im Nierseinzugsgebiet nur verein¬zelt vor. Artenpotenziale dagegen bestehen im Einzugsgebiet in Form von weiteren 17 Gütezeigern und 40 EPT-Taxa, von denen mehrere grundsätzlich auch in den untersuchten Abschnitten zu erwarten sind. Von einer Ausbreitung dieser Taxa bzw. Artenpotenziale ist erst dann auszugehen, wenn weitere Verbesserungen der Gewässer im Einzugsgebiet hin¬sichtlich der Habitatausstattung, aber auch der stofflichen Qualität erreicht werden.
Die Analyse der Belastungsfaktoren hat gezeigt, dass eine Besiedlung der untersuchten Ab-schnitte mit weiteren wertgebenden Arten aus dem Oberlauf derzeit unwahrscheinlich ist und eher aus dem Unter- und Mittellauf mit seinen Zu¬flüssen Issumer Fleuth, Kervenheimer Mühlenfleuth, Kroonbeek/Kendel und Steinberger Ley erfolgen kann. Daher sind diese Be-reiche auch für die Umsetzung hydromorphologischer Maßnahmen als prioritär zu betrach-ten. Als wichtige Arbeitsschritte für die Abschätzung des Besiedlungspotenzials renaturierter Abschnitte sowie der Zielerreichung werden angesehen:
1. Einzugsgebiets-Analyse der Vorkommen wertgebender Arten – sowohl Gütezeiger des Deutschen Faunaindex als auch EPT-Taxa als bewertungsrelevante Arten
2. Defizitanalyse in Bezug auf Ausbreitungshindernisse, die einer möglichen Wiederbesied-lung der zu betrachtenden renaturierten Abschnitte durch diese Arten entgegenstehen
3. Abschätzung der möglichen langfristigen Besiedlung der untersuchten Abschnit¬te
4. Ermittlung der erreichbaren ökologischen Zustandsklasse
Darüber hinaus geben die so gewonnenen Erkenntnisse wertvolle Hinweise für die Lokalisa-tion weiterer hydromorphologischer Maßnahmen.
Die Hypothese „Das Wiederbesiedlungspotenzial des Makrozoobenthos im Nierseinzugsge-biet ist gering. Die Besiedlung der renaturierten Abschnitte mit weiteren wertgebenden Taxa ist eingeschränkt“ wird durch die Ergebnisse unterstützt.
Schlussfolgerungen
Die Renaturierungsmaßnahmen an der Niers waren hydromorphologisch und biologisch wirksam. Neben einer erhöhten Struktur- und Habitatvielfalt in Gewässer und Aue und der hydrologischen und ökologischen Anbindung der Aue konnten zahlreiche positive Verände-rungen beim Makrozoobenthos, bei den Laufkäfern und Spinnen festgestellt werden, die den vorab definierten, erwarteten Reaktionen entsprechen. Damit zeigten sich biologische Wir-kungen sowohl im aquatischen als auch im terrestrischen Bereich. Die bauliche Herstellung einer ge¬schwungenen Linienführung im Zuge von Neutrassierungen sowie die Anlage von Ersatz¬auen ist damit eine ökologisch wirksame Maßnahme und v.a. in entwicklungsträgen Gewäs¬sern eine Alternative zur zeitintensiven eigendynamischen Entwicklung.
Die Ergebnisse beim Makrozoobenthos sind bemerkenswert vor dem Hintergrund bisheriger Erkenntnisse. Notwendig waren dazu jedoch detailliertere Aufnahmen und Auswertungen als bei der gängigen Bewertung des ökologischen Zustands nach PERLODES. Positive Reakti-onen waren beim Makrozoobenthos sowohl auf Ebene der Abschnitte als auch auf Ebene der Substrate festzustellen.
Die Kandidatenmetrics als potenzielle Indika¬toren für die Einflussfaktoren Renaturierung „alt“, Renaturierung „jung“ und Sukzession sind hinsichtlich ihrer Eignung an weiteren umge¬setzten Renaturierungen zu testen und könnten für die Entwicklung ei¬nes Verfahrens zur Durchführung von Erfolgskontrollen herangezogen werden. Dabei sollten terrestrische Gruppen (z.B. Laufkäfer, Spinnen) Berücksichtigung finden, da sie die Maßnahmenwirksam-keit in Bezug auf die Auenanbindung und damit die Funktionsfähigkeit des Gewässer-Aue-Systems anzeigen. Dieser Aspekt wird bei den derzeitigen Bewertungs¬verfahren nach EU-WRRL nicht ausreichend berücksichtigt.
Wesentlich für weitere Optimierungen der umgesetzten und geplanten Maßnahmen ist die Ermittlung von verbleibenden Defiziten anhand der hydromorphologischen und biologischen Indikatoren, die noch nicht typspezifisch oder gar nicht reagieren. Die Herstellung des Zu-sammenhangs zwischen der Art der Renaturierungsmaßnahmen und der erzielten positiven wie negativen Wirkungen ist dabei bedeutsam. Nur so können künftige Maßnahmen effekti-ver gestaltet werden. Die hier gewählte Vorgehensweise ermöglicht die Ableitung von Hin-weisen zur Optimierung künftiger Renaturierungen. Vor allem auf der Ebene der aquati¬schen Habitate sind noch weitreichendere Veränderungen nötig und möglich. Sie zeigen aber auch, dass es richtig ist, lokale Maßnahmen umzusetzen, die die Habitatverhältnisse für die biolo-gischen Qualitätskomponenten so verbessern, dass sie die Erreichung des Bewirt-schaftungsziels unterstützen und somit einen „Schritt in die richtige Richtung“ darstellen (UBA 2008).
Anhand der hier ermittelten Indikatoren sind kurz- bis mittelfristige Wirkungen ablesbar. Für weitergehende Aussagen zu langfristigen Wirkungen wären Wiederholungsuntersuchungen der Niersabschnitte nötig, die dann einen Zeitraum bis zu 13 Jahre (ab 2013) nach Um-setzung der Maßnahmen umfassen würden. Damit wäre die Reifephase des älteren renatu-rierten Abschnitts erreicht und es könnte geklärt werden, ob weitere Gütezeiger in den Ab-schnitt eingewandert sind, ob sich die Besiedlung weiter verbessert hat, oder ob eine Anglei-chung an die degradierten Verhältnisse der oberhalb liegenden Abschnitte stattgefunden hat.
Einzugsgebietsanalysen der Besiedlung sind sinnvoll, um die Zielerreichung abschätzen und Schwerpunkte für die Maßnahmenumset¬zung ermitteln zu können. Dabei sind die vorhande-nen Belastungen in ihrer Qualität und Ausdehnung und die möglichen Ausbreitungswege wertgebender Arten zu berücksichtigen. Im Nierssystem zeigt der Unterlauf mit seinen Zu-flüssen günstigere Bedingungen für die (Wieder-)Besiedlung an als der Mittel- und Oberlauf.Setting
In the course of planning measures on watercourses, actions to improve the hydro-morphology of rivers - restoration measures - have become necessary and have already been performed in recent years. Most of all these measures combat the extensive loss of hydromorphological features of rivers - a result of draining measures fostering an improved agricultural use of floodplain areas and a faster removal of water. This situation is reflected in the results of the survey and the monitoring according to the EU water framework directive (EU WFD).
In order to use the funds for restoration measures efficiently and to perform the ecologically most suitable measures for the respective types of water bodies it is essential to gain insight into their effects on the habitat diversity and the biocoenosis of different watercourses.
The impact of a modified restored watercourse on the river current, on its substrate cond