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Untersuchung verschiedener Syntheseparameter bei der Polyolsynthese von Aluminium-dotierten Zinkoxid und Herstellung von Kompositbeschichtungen zur Anwendung in der textilen Architektur
No full textDie Motivation der Dissertation lag in der Entwicklung von Nanopartikel-beschichtungssystemen basierend auf der nasschemischen Synthese von Aluminium-dotierten Zinkoxid (AZO) Nanopartikeln mit dem Polyol Diethylenglykol. Die entwickelten Beschichtungen zielen auf die Anwendung im Bereich der textilen Architektur zur Verbesserung des Wärmemanagements ab. Zum einen sollen diese dabei für solare Strahlung im sichtbaren Spektralbereich möglichst transparent sein, so dass Innenräume hinter textilen Dachmembranen tagsüber durch das Sonnenlicht beleuchtet werden. Zum anderen sollen die Beschichtungen die Funktionen als solarer Hitzeschutz und gleichzeitig als Wärmeschutz besitzen, indem die Beschichtungen zum einen den Anteil der solaren Wärmestrahlung absorbieren, wodurch sich die Innenräume bei starker solarer Einstrahlung weniger aufheizen und zum anderen Wärmestrahlung im mittleren infraroten Spektralbereich reflektieren, wodurch ein übermäßiges Abkühlen der Innenräume in der Nacht, kalten Klimazonen oder im Winter vermindert wird.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Untersuchung des Einflusses verschiedener Syntheseparameter auf die strukturellen, morphologischen und elektrischen Eigenschaften der AZO-Partikel und der Charakterisierung der optischen Eigenschaften von Beschichtungen aus diesen. Die strukturellen und morphologischen Eigenschaften der AZO-Partikel wurden mittels Kristallstrukturanalysen (XRD) und Rasterelektronen-mikroskopie (REM) analysiert und die elektrischen Eigenschaften wurden anhand von Widerstandsmessungen getrockneter Pulvern im gepressten Zustand bestimmt. Die optischen Eigenschaften wurden mittels UV-VIS-MIR Spektroskopie an hergestellten Partikelkompositbeschichtungen auf PET-Folien als Modellsubstrat über einen Spektralbereich von λ= 0,4 μm bis λ= 21 μm charakterisiert. Weiterhin wurden 27Al-MAS-NMR Analysen an AZO-Pulvern durchgeführt, um die Art der Besetzung von Aluminiumatomen im Zinkoxidkristallgitter, als auch die Verteilung innerhalb des Wirtgitters zu analysieren. Zum anderen wurden die NMR-Analysen genutzt, um Hinweise zur Änderung der Ladungsträgerdichte zu erhalten, was anhand der Charakterisierung des Knight-Shift Verhaltens durchgeführt wurde. Basierend auf der Synthese von AZO-Partikeln unter festgelegten „Standardparametern“ wurde der Einfluss des Aluminium Dotiergrades, der Synthesezeit und -temperatur, der Präkursorkonzentration und des
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Hydratanteils auf die Änderungen der Eigenschaften der resultierenden AZO-Partikel untersucht.
Auf Basis der Erkenntnisse dieser Parameterstudie wurden die Syntheseparameter optimiert, um AZO-Partikel herzustellen, die als Beschichtung eine möglichst hohe Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen. AZO-Partikel die unter Standardbedingungen synthetisiert wurden besitzen eine Kristallitgröße von 20 nm. Die unter optimierten Syntheseparametern synthetisierten Partikel besitzen eine Kristallitgröße im Bereich von 100 nm. Im Modellsystem (bestehend aus AZO-Partikeln und Silan-basierten Bindersystem), zeigten Beschichtungen mit AZO-Partikeln synthetisiert unter Standardbedingungen im sichtbaren Spektralbereich eine Transparenz von Tr550 nm= 92 %, was in etwa der Transparenz des unbeschichteten Substrates entspricht (PET-Folie, Tr550 nm= 93 %). Beschichtungen aus den optimierten Partikeln streuen sichtbares Licht, wodurch die Transparenz vermindert wird (Tr550 nm= 82 %). Im nahen infraroten Spektralbereich absorbieren Beschichtungen beider Partikelvarianten durch Plasmonenabsorption die Strahlung gleichermaßen. Der Wärmestrahlungsaustausch zwischen Personen und Gebäudekomponenten mit Temperaturen um T = 300 K liegt im Spektralbereich von 10 μm. In diesem Bereich reflektieren Beschichtungen mit AZO-Partikeln der Standard Synthese etwa 20 % der Strahlung. Durch die Optimierung der Syntheseparameter konnten AZO-Partikel hergestellt werden die beschichtet auf PET-Folie bei einer Wellenlänge von λ= 10 μm 36 % der Strahlung reflektieren.
Die Übertragung der Herstellung von Partikelbeschichtungen ausgehend vom Modellsystem basierend auf einem silanischen Bindersystem auf die Herstellung von Partikelbeschichtungen mit industriellen Acrylat-basierten Bindersystemen konnte nach Funktionalisierung der AZO-Partikel mit speziellen Additiven realisiert werden. Die so hergestellten Partikelkomposite konnten anschließend mittels industrieller Streichverfahren (hier: Rakeln) unter Erhalt der optischen Eigenschaften (hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich und hohe Reflexion im infraroten Spektralbereich) auf transparenten Dachmembranen appliziert werden.
Abschließend wurden Funktionalitätsprüfungen zur Untersuchung der Änderung der thermischen Eigenschaften von transparenten Dachmembranen durch die entwickelten AZO-Beschichtungen an eigens erstellten Prüfständen durchgeführt. Verwendet wurden dabei AZO-Partikel der Standardsynthese und AZO-Partikel, die unter optimierten
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Synthesebedingungen hergestellt wurden. Partikelbeschichtungen auf transparenten Dachmembranen mit AZO-Partikeln beider Varianten absorbieren nahe IR-Strahlung gleichermaßen. Die Funktionsprüfungen an eigens erstellten Prüfständen zeigten, dass sich ein Raum hinter den AZO beschichteten Dachmembranen um ΔT =3°C weniger stark aufheizte, als ein Raum hinter einer unbeschichteten Dachmembran. Die Untersuchungen zum Reflexionsverhalten von Wärmestrahlung an eigens erstellten Prüfständen zeigte, dass sich lediglich bei Verwendung einer Dachmembran beschichtet mit optimierten AZO-Partikeln, ein beheizter Raum unter einer Dachmembran stärker aufheizen lässt als bei Verwendung einer unbeschichteten Dachmembran (ΔT= 1°C), obgleich der Effekt im Vergleich zur Verwendung einer Aluminiumfolie als Benchmark, bei der ein Temperaturunterschied von ΔT= 3,5°C festgestellt werden konnte, nur als gering bezeichnet werden kann.
Zusammenfassend zeigen die erzielten Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass die strukturellen, morphologischen, elektrischen und optischen Eigenschaften von nasschemisch synthetisierten AZO-Nanopartikeln signifikant von den jeweils verwendeten Syntheseparametern abhängen. Weiterhin zeigt diese Arbeit, dass es möglich ist, Beschichtungskomposite mit AZO-Partikeln als alternatives transparent leitfähiges Oxid herzustellen, die im Bereich der textilen Architektur auf polymeren Substraten mittels einfacher Streichverfahren appliziert werden können und zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften dieser Substrate im Sinne einer erhöhten Absorption von solarer Wärmestrahlung und einer erhöhten Reflexion von Wärmestrahlung, wie sie von Heizkörpern in innenliegenden Räumen ausgestrahlt wird, beitragen
Innovative Methoden zur Früherkennung von HLA Verlust Rezidiven nach allogener Stammzelltransplantation
No full textRelapse of malignant disease is the most frequent cause of treatment failure in allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT), often due to selective genomic loss of the mismatched human leukocyte antigens (“HLA loss”). The diagnosis of this condition is relevant for adopting appropriate treatment strategies and assessing its relevance in different transplant settings, but is precluded by technical challenges associated with the extreme polymorphism in HLA. The aim of the present thesis was to close this gap by 1) investigating the clinical utility of quantitative PCR (qPCR) for chimerism monitoring after HSCT; 2) developing HLA-specific qPCR assays to detect HLA loss relapse; and 3) establishing new next generation sequencing (NGS) protocols for the high throughput detection of HLA loss relapse.
In the first aim, published in Ahci et al., Biol Blood Marrow Transplant 2017, we retrospectively tested chimerism after 30 allo-HSCT at UK-Essen, in parallel by standard short tandem repeat (STR) and a new commercial qPCR method targeting insertion-deletion polymorphisms outside HLA. We demonstrated a 1-log higher sensitivity of qPCR, resulting in clinical utility for early relapse detection and other clinical endpoints including engraftment. These results led to a diagnostic shift from STR to qPCR for the follow-up of allo-HSCT at UK-Essen. In the second aim, published in Ahci & Toffalori et al., Blood 2017, we developed qPCR chimerism for single nucleotide polymorphisms within the HLA system, providing a user-friendly, robust and sensitive method for the detection of HLA loss relapse which combines chimerism outside and inside HLA in a single “HLA-KMR” system under industrial sponsorship and commercialization. In the third aim, we developed NGS-based HLA typing in collaboration with the DKMS Life Science Lab leader in the field, adapted this approach to the detection of HLA chimerism and applied it to 34 relapses after unrelated donor HSCT at UK-Essen. This allowed us to identify at least one HLA loss relapse occurring after partially HLA mismatched HSCT, further substantiating the clinical relevance of HLA loss as mechanism underlying relapse. Taken together, the data from my thesis set the stage for further analyses regarding the incidence and risk factors of HLA loss relapse in different transplant contexts through national and international collaborations, and the investigation of somatic neo-mutations in HLA as a new mechanism of immune escape after cancer immunotherapy.Die häufigste Ursache des Therapieversagens der allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation (allo-HSZT) zur Behandlung bösartiger Bluterkrankungen sind Krankheitsrückfälle, welch häufig durch den genomischen Verlust der patienten-spezifischen HLA Gewebeantigene gekennzeichnet sind („HLA Verlust“). Die Diagnose dieses gezielten Immunevasionsmechanismus ist aufgrund der großen Variabilität des HLA Systems mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden, obwohl sie von großer klinischer und wissenschaftlicher Bedeutung wäre. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, diese Lücke zu schließen und durch 1) Untersuchung des klinischen Vorteils der Chimärismusbestimmung nach HSZT mittels quantitativer PCR (qPCR); 2) Entwicklung von HLA-spezifischen qPCR Reaktionen zur Erkennung des HLA Verlust Rückfalls; 3) Aufbau von next generation sequencing (NGS) zur Hochdurchsatzbestimmung von HLA Verlust Rezidiven.
Für das erste Ziel, veröffentlicht in Ahci et al., Biol Blood Marrow Transplant 2017, wurden 30 allo-HSZT vom UK-Essen vergleichend mit der Standardmethode short tandem repeat (STR) und einem neuen kommerziellen qPCR Ansatz auf Chimärismus getestet. Die höhere Sensitivität der qPCR war klinisch für die Beurteilung von Rezidiven und anderen klinischen Endpunkten von Vorteil und wird seither routinemäßig am UK-Essen eingesetzt. Für das zweite Ziel, veröffentlicht in Ahci & Toffalori et al., Blood 2017, wurden qPCR Reaktionen für eine Anzahl von HLA Allelen entwickelt um eine nutzerfreundliche, robuste und sensitive Methode zur Erkennung von HLA Verlust Rezidiven zu erstellen, welche als „HLA-KMR“ industrielle Verwertung gefunden hat. Für das dritte Ziel wurde eine NGS Plattform zur HLA Typisierung in Kooperation mit dem DKMS Life Science Lab entwickelt, auf den HLA Chimärismus adaptiert und anhand von 34 Rückfallproben von am UK-Essen transplantierten Patienten getestet. Selbst in dieser limitierten Kohorte wurde mindestens ein HLA Verlust Rezidiv nach partiell HLA differenter HSZT entdeckt, was die klinische Relevanz dieses Immunevasionsmechanismus unterstreicht. Die in dieser Doktorarbeit erzielten Resultate werden nun die Untersuchung der Inzidenz und Risikofaktoren von HLA Verlustrezidiven nach allo-HSZT in großen nationalen und internationalen Studien ermöglichen. Zudem wird die NGS Plattform zur Analyse von somatischen HLA Neomutationen als potentiellem neuen Immunevasions-mechanismus nach Tumorimmuntherapie genutzt werden
Analysis of defect structures in two dimensional materials after the interaction with highly charged ions
No full textDie Deposition der potentiellen Energie eines hochgeladenen Ions in einem kleinen Bereich des Materials führt zu enorm hohen Energiedichten am Einschlagspunkt des Projektils. Als Resultat dieser Energiedichten lassen sich Nanostrukturen in Oberflächen beobachten, die je nach Wahl des Materials unterschiedlicher Natur und Ausdehnung sein können. In dieser Arbeit wurden derartige Defekte in zweidimensionalen Materialien durch die Bestrahlung mit hochgeladenen Ionen induziert und untersucht. Ein Teil dieser Arbeit bestand darin, den bestehenden Aufbau der Ionenstrahlanlage an der Universität Duisburg-Essen durch eine dynamische Abbremseinheit zu erweitern. Mithilfe dieses sogenannten Ionenfahrstuhls lässt sich der einstellbare Bereich der kinetischen Energie der Ionen auf über eine Größenordnung erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl ausführliche Messungen zur Charakterisierung der Abbremseinheit, als auch erste Bestrahlungsreihen unter Verwendung dieses Ionenfahrstuhls durchgeführt und dargestellt. Der wesentliche Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit, durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen Defektstrukturen auf der Nanometerskala in 2D Materialien zu induzieren. So sind erstmals Defektstrukturen in einer Einzellage hBN beobachtet worden, deren Präsenz auf die Deposition der potentiellen Energie des Projektils zurückzuführen ist. Mittels Rasterkraftmikroskopiemessungen ließen sie sich einerseits als Reibungserhöhungen an den Einschlagspunkten der HCIs dentifizieren. Des Weiteren konnte ein Schwellenwert der potentiellen Energie zur Defekterzeugung detektiert werden, der sich durch Messungen zur Sekundärionenmassenspektroskopie bestätigen ließ. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die experimentellen Ergebnisse gut durch das Modell des thermal spikes beschreiben lassen, welches einen thermischen Prozess in der Defekterzeugung nahe legt.
Zudem konnten erstmals Defekte in freistehendem MoS2 auf atomarer Skala aufgelöst werden. Diese Defekte treten in Form von Poren auf, die in einem ansonsten intakten MoS2 Gitter eingebracht worden sind. Die Porengröße, als auch die Porenerzeugungseffizienz konnte klar mit der potentiellen Energie des Projektils in Verbindung gebracht werden, wobei sich im Falle dieses 2D Materials kein Schwellenwert zur Porenerzeugung ausmachen ließ. Ebenfalls wurde die Defekterzeugung in Graphen durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen genauer studiert, was zu einer Ergänzung und teilweise zu einer Korrektur des bisherigen Wissensstands führte. Mittels Ramanspektroskopie konnten zahlreiche Informationen über die Defektgröße, die Defektstruktur, sowie die jeweilige Abhängigkeit von der kinetischen als auch der potentiellen Energie untersucht werden. Die Ramanspektroskopie in Kombination mit der hochauflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskopie konnten weiterhin nachweisen, dass es sich bei den induzierten Defekten um lokal hydriertes Graphen mit einzelnen Gitterfehlstellen handelt.The potential energy of a highly charged ion, deposited into a small volume of the material, leads to extreme high energy densities at the impact site of the projectile. As a result surface nanostructures are induced which appear in different shapes depending on the materials
properties. In this thesis such defects were induced in two dimensional materials by highly charged ion irradiation and investigated afterwards. As a part of this work, a dynamic deceleration system was implemented into the already existing ion beamline at the university of Duisburg-Essen. By using this so-called ion lift, the adjustable range of the kinetic energy of the ions was extended to an order of magnitude. Within this study, both detailed measurements to characterise the deceleration unit and irradiation experiments using this deceleration system were performed and presented.
The major part of this thesis deals with the possibility to induce defects on the nanometer scale in two dimensional materials by highly charged ion bombardment. For the first time, defect structures have been observed in single layer hexagonal boron nitride as a result of
the deposition of the potential energy of the projectile. By means of atomic force microscopy, the defects were identified as region of enhanced friction. Furthermore, a threshold of the potential energy was detected, which was further confirmed by means of secondary ion
mass spectrometry. Additionally, it was shown, that the experimental results can be well described by the thermal spike model suggesting a thermal process in the defect creation mechanism. Moreover, defects in freestanding molybdenum disulphide were resolved on an atomic scale for the first time. These defects appear as pores in the otherwise unaffected lattice of the molybdenum disulphide. The pore size, as well as the pore creation efficiency was clearly
associated with the potential energy of the projectile. This two dimensional material however shows no threshold for the pore creation. Furthermore, the defect creation in graphene after the irradiation with highly charged ions was investigated in more detail, leading to an enhancement and partially revision of the state of knowledge. By means of Raman spectroscopy, extensive information about the size and structure of defects, as well as their dependence on the kinetic and potential energy could be obtained. Raman spectroscopy in combination with high resolution scanning transmission electron microscopy further proved, that the defects are composed of hydrogenated graphene and individual lattice vacancies
Influence of hysteresis at magnetostructural transitions on the magnetocaloric properties of Heuslers, Antiperovskites, and Pnictides
No full textA large magnetocaloric effect can be observed in materials with first-order magnetostructural transition. Applying a magnetic field stabilizes the phase with higher magnetization and shifts the transition temperature to higher or lower temperatures. An adiabatically applied field induces a phase transformation and leads to an adiabatic temperature change. This temperature change is used in magnetocaloric refrigerators which is induced by applying a magnetic field cyclically. The material has to have a reversible adiabatic temperature change for each field-cycle to be an effective refrigeration
material. The reversibility of the adiabatic temperature change depends on the hysteresis properties of the transition. A minimization of the thermal and magnetic hysteresis is important to improve the efficiency of magnetocaloric refrigerators. The Mn3GaC antiperovskite is a magnetocaloric material with a narrow hysteresis which shows a fully reversible first-order isostructural transformation at about 164 K
from the antiferromagnetic state to the ferromagnetic state in an applied field of 2 T. The transformation is accompanied by a volume contraction of about 0.5 %. The small hysteresis can be explained by the low magnetocrystalline-anisotropy-energy which was determined using a Mn3GaC single crystal. The hysteresis properties of polycrystalline and single crystal Mn3GaC are equivalent. However, in pulsed magnetic fields with fast field-sweep rates, the structural response of the transformation cannot follow the field change, which leads to a reduced magnetocaloric effect. This is in contrast to adiabatic magnetization measurements in pulsed fields showing a full transformation. The different time-responses of the structural and magnetic transition can be explained by the large volume change (0.5 %) at the first-order transformation. Mn-Cr-Co-Sb pnictide has a first-order isostructural transition from an antiferromagnetic state to a ferrimagnetic state and has, like Mn3GaC, a narrow hysteresis. The transformation in Mn-Cr-Co-Sb can follow the fast field-sweep rates. This can be explained by the ten times smaller volume change during the transformation in Mn-Cr-Co-Sb compared to Mn3GaC.
Another class of magnetocaloric materials are off-stoichiometric Ni-Mn-In Heusler alloys. However, these alloys are not stable and decompose into stoichiometric Ni2MnIn and NiMn when annealed between 650 and 750 K. In Ni-Mn-In alloys with 5 % In, annealing in a magnetic field leads to the formation of shell-ferromagnetic nanoprecipitates. The ferromagnetic hard-shell remains pinned up to fields of 5 T while the rest of the precipitate shows a soft ferromagnetic behavior. A selective formation of precipitates can be a further opportunity to tune the hysteresis in Ni-Mn-In Heusler alloys
An integrated model for predicting driver’s discomfort while interacting with car seat and car controls
Full text linkA driving task requires physical demands from the driver to operate car controls, while sitting on the car seat. The near static seated posture in a confined space may causes discomfort and fatigue. In Malaysia, fatigue is the third highest contributing factors to road accident, accounting for 15.7%. Fatigue can interfere with concentration while driving the car. When the driver is getting fatigue, it may reduce the performance, and hence increase the risk of
road accident. This show that fatigue effect can cause danger to the driver. The four main objectives of this research are: (1) to evaluate driver’s discomfort and performance while engaged with the car seat and car controls based on subjective assessment.; (2) to analyse
the pressure interface on the car seat based on different driving positions.; (3) to evaluate the SEMG surface electromyography (SEMG) signal for the muscle activity based on different driving positions and actions.; and (4) to develop integrated model to predict driver’s discomfort while engaged with the car seat and car controls. Eleven test subjects participated in this experiment. The data for this research were collected by using mixed method approach, comprising of the subjective (Visual Analogue Scales, VAS) and objective assessment methods (SEMG and pressure measurement). The VAS was the
subjective assessment method used for measuring the car driver’s discomfort perception while engaging with car seat and car controls, namely steering wheel, manual gear and accelerator pedal. The SEMG was used to measure muscle activity for Deltoid Anterior
(DA), Gastrocnemius Medial (GM) and Tibialis Anterior (TA) involving two different positions, the closest seated position to the car controls (Position A) and the further seated position from the car controls (Position B). Having done that, the data were analysed by using Temporal and Amplitude Analysis based on Maximal Voluntary Contraction. The SEMG analysis was in accordance to the SEMG for the Non-Invasive Assessment of Muscles recommendation. The pressure mat was used to measure the pressure distribution of the car seat. In addition, the body measurement, consisting of anthropometric dimension and the joint angle were measured in this study. Referring to VAS assessment, subjects feel more discomfort at Position B while operating the steering wheel at 45 turning degree and gear during changing the gear to gear 1. For pedal control, the subjects experienced discomfort at Position A particularly when releasing the pedal. The SEMG’s findings for the steering wheel task showed the DA at Position B with 45 turning degree showed a higher muscle contraction. Changing the gear to Gear 1 at Position B demonstrated the highest Amplitude at the DA. For pedal control, TA depicted the highest muscle contraction in releasing action at Position A, while the GM showed the highest muscle contraction in pressing action at Position B. In terms of pressure distribution measurement, the buttocks part at Position A depicted the highest mean pressure. The regression test was used to determine the level of significance whether the coefficient of working muscle activity can be used as characteristics and predictors for driver’s discomfort. From the results, the prediction model could be developed. The results indicated that integration between the body measurement and pressure interface or muscle activity show a higher R2; car seat (R2
= 0.952), steering (R2 = 0.983), gear (R2 = 0.980), and pedal (R2 = 0.911 and 0.952). Thus, it can be concluded that the prediction on drivers’ discomfort when driving in different conditions produces better results when incorporating the body measurement that is related
with the car seat and car controls
Modelling the spatial dispersal of aquatic invertebrates to predict (re-)colonisation processes within river catchments
Full text linkWorldwide, many lotic ecosystems are heavily impacted by anthropogenic disturbance, leading to a significant decline in freshwater biodiversity. In recent years, increasing efforts have been directed towards the restoration and revitalisation of disturbed streams and rivers to reverse this trend. Although it is widely acknowledged that species dispersal is the key to the recolonisation of restored streams and rivers and ultimately to their ecological recovery, dispersal often remains unaddressed in restoration ecology. For this reason, the present thesis had two main objectives:
1) The development and application of a dispersal modelling approach that considers taxon-specific dispersal distances and dispersal barriers.
2) The validation and comparison of this dispersal modelling approach, based on taxon-specific dispersal distances and barriers, against a purely distance-based approach.
Therefore, this thesis is divided into two main chapters dealing with these objectives. Following this structure, background information and main results are summarised in the next paragraphs for each chapter.
In chapter 2, we present an approach to predict larval (aquatic) and adult (terrestrial) dispersal ranges of three lotic insect species (Hydropsyche dinarica [Trichoptera], Calopteryx virgo [Odonata] and Dinocras cephalotes [Plecoptera]) within one life cycle. The actual species’ distributions (presence / absence) were obtained from a total of 1,198 sites evenly distributed within the Ruhr catchment, North Rhine-Westphalia, Germany. The predictions for aquatic and terrestrial dispersal were made for two scenarios: with and without dispersal barriers included in the predictive modelling. In-stream dispersal barriers included weirs, dams, culverts and impounded water bodies, whereas terrestrial barriers were related to the stream corridor (degraded riparian vegetation) and different forms of land use (urban land use, coniferous and deciduous or mixed forest, open land, road infrastructure). We applied a “least-cost” modelling approach and combined each species’ life-cycle-specific dispersal capabilities and the corresponding dispersal barrier’s “friction” costs in a grid-based GIS model.Among the three model species, H. dinarica was the best disperser and was predicted to be able to reach between 81% (without barriers) and 67% (with barriers) of all river sections in the model catchment within one life cycle. Aerial (terrestrial) dispersal was by far the most important dispersal mechanism. For validation purposes, we conducted a logistic regression analysis to identify sample sites with environmentally suitable habitats. Within these sites that are not considered constrained by habitat limitations, the comparison of actual and predicted absences revealed a better match, if barriers were included in the dispersal models. At the same time the mismatch of actual absences and predicted presences decreased. Our results suggest that dispersal models can contribute to a better assessment of the potential recolonisation of rivers. Yet, the dispersal of lotic insects may be considerably overestimated if dispersal barriers remain unaddressed. Chapter 3 deals with a study area within a heavily modified catchment, where formerly polluted streams are now free of untreated wastewater. Additionally, the morphology of streams has been improved by physical habitat restoration. Both water quality and structural improvements offered a unique opportunity to investigate the recolonisation of restored sections by benthic invertebrates. As dispersal is a key mechanism for recolonisation, we developed a method to predict the dispersal of 18 aquatic insect taxa to 35,338 river sections (section length: 2 m) within the catchment. Source populations of insect taxa were sampled at 33 sites. In addition, 14 morphologically restored sites were sampled and constituted the validation dataset. As in chapter 2, we applied a “least-cost” modelling approach within a raster-based GIS model, combining taxon-specific aquatic and terrestrial dispersal capabilities with the “friction” that physical migration barriers impose on dispersal of aquatic and terrestrial stages. This taxon-specific modelling approach was compared to a conservative modelling approach, assuming a Euclidean distance of 5 km, based on a former study, as the maximum dispersal distance for any source population regardless of dispersal barriers
The role of endoplasmic reticulum residient oxidoreductases for radiation sensitivity and survival of cultivated colorectal tumor cells
Full text linkDas Endoplasmatische Retikulum (ER) übernimmt wichtige Funktionen in der Prozessierung neu synthetisierter Proteine sowie bei der Lipidbiosynthese und Calciumspeicherung. ER-Stress führt zur Aktivierung der Unfolded protein response (UPR), über PERK (Protein Kinase RNA-like Endoplasmic Reticulum Kinase), ATF6 (activating transcription factor 6) und IRE1 (inositol-requiring enzyme 1). Die UPR resultiert in einem Translationsstop sowie in transkriptionellen Kompensationsmechanismen, die entweder zum Überleben der Zelle oder zum Zelltod führen.
In der vorliegenden Studie konnte gezeigt werden, dass die zusätzliche Depletion von PDI (protein disulfide isomerase family A member 1) in ERp57- (protein disulfide isomerase family A member 3) Knockdown (KD) Zellen keine stärkere Toxizität bei der Behandlung von kolorektalen Karzinomzellen bringt. Die p53-abhängige Apoptoseinduktion und der additive Effekt von ERp57-KD und Bestrahlung wurden durch zusätzlichen PDI-KD verringert. Nichtsdestotrotz zeigte sich eine starke Einschränkung der Proliferation auch durch Doppel-KD-von ERp57 und PDI. Es konnte nachgewiesen werden, dass PDI nach ERp57-KD vermehrt oxidiert vorlag und so eine proapoptotische PERK-Aktivierung triggern konnte. Die zusätzliche Depletion von PDI führte zur Inaktivität von PERK und zu einer geringeren Apoptoserate sowie normaler Zellzyklusprogression.
Auch unter globalem ER-Stress spielte PDI eine entscheidende Rolle in der PERK-Aktivierung: Fehlte PDI, entfiel die protektive PERK-Aktivierung und die Zellen zeigten sich vulnerabler gegenüber ER-Stress induzierenden Reagenzien.
Diese Ergebnisse zeigen, dass ERp57 als Reduktase für PDI in Zellen agiert und eine Akkumulation von oxidiertem PDI eine essenzielle Rolle in der Aktivierung des ER-Stress-Sensors PERK spielt. Eine Inhibition von PDI ist daher ein rationaler Ansatz zur Verminderung der PERK-Aktivität
Charakterisierung der mikrobiellen Methanoxidation für Deponiestudien mittels der Analytik stabiler Isotope
Full text linkNext to water, carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) are the most important greenhouse gases with regard to their radiative forcing effect. While the amount of CH4 in the atmosphere is by two orders of magnitude lower than that of CO2 its global warming potential is up to 28 times greater than that of CO2. The waste and wastewater sector contribute an important share to the total anthropogenic emissions of methane. In this particular case, landfills play an important role because worldwide the major amount of waste is deposited at landfill sites. Emissions of CH4 at landfill sites arise due to the production of landfill gas mainly from fermentation by obligate anaerobic microorganisms. It can be collected for energy production which allows an economic use and the mitigation of CH4 emissions to the atmosphere at the same time. Yet, both amount and concentration of CH4 released from the waste body decrease throughout time. As a consequence, for older landfills, the utilization of landfill gas for economic purposes is no longer possible. However, the German legislation demands the treatment of the landfill gas to reduce CH4 emissions to the atmosphere. An extension or alternative to active gas extraction and treatment are landfill cover layers that serve as methane oxidation layers. On the one hand their advantage is that they represent passive systems and in contrast to active systems need no additional machinery and little maintenance. On the other hand a general problem with these systems is the assessment of the performance of methane oxidation by an appropriate method. One suitable technique for that purpose is stable isotope analysis (SIA). It relies on the preferential consumption of the lighter 12CH4 over the heavier 13CH4 by methanotrophic bacteria within the cover layer which can be described by the isotopic enrichment factor ε. This preference results in an isotopic fractionation between the CH4 produced in the anaerobic zone of the waste body and the partially consumed CH4 emitted at the landfill’s surface. Apart from the isotopic composition of the anaerobic and emitted CH4 ε is the crucial parameter for the estimation of the performance of the cover layer in terms of biodegradation. In this work the focus was on the determination of this parameter at different temperatures and for different methanotrophs (type I and II) by using gas chromatography isotope ratio mass spectrometry for SIA. The overall average ± standard deviation was ε = 0.021 ± 0.004 (mixed methanotrophs in topsoil: ε = 0.0202 ± 0.0047 at 22°C and ε = 0.0231 ± 0.0059 at 30°C; mixed methanotrophs enrichment culture at 22°C: ε = -0.0136 ± 0.0036; type I enrichment culture: ε = 0.0242 ± 0.0007 at 22°C and ε = 0.0202 ± 0.0030 at 30°C; type II enrichment culture: ε = 0.0204 ± 0.0028 at 22°C; ε = 0.0232 ±0.0020 at 30°C). Comparison with the literature revealed similar values for ε. It was also shown that the high variability and uncertainty of ε resulted in no statistical difference for either different temperatures or for type I or II methanotrophs. Further statistical analysis revealed that corrections suggested in literature based on a temperature dependency of ε are of minor relevance when regarding the uncertainty in ε (in the typical operational range of a cover soil of 10-40°C). Another factor influencing isotopic fractionation is diffusion. In landfills where methane transport to the surface is dominated by diffusion the estimation of biodegradation by SIA has to be corrected for the former. The isotopic fractionation by diffusion was determined for a potential landfill cover material at 22.5°C and 30°C and compared with literature values. With an average of εdiff = 0.0212 ± 0.005 at 22.5°C and εdiff = 0.0218 ± 0.003 at 30°C it was of the same order of magnitude as the determined isotopic fractionation by methane oxidation and thus within the range of analytical uncertainty of the theoretical value for isotopic fractionation by diffusion of εdiff = 0.0191. Having determined these important parameters, the biodegradation in a new reactor setup could be investigated by SIA for the study of topsoil as a potential cover layer. Apart from SIA, different methods based on mass balancing and stoichiometry were used and compared by statistical means in terms of correlation, measurement uncertainty, and biodegradation. The results based on SIA for a closed system and for stoichiometric balancing of product (CH4) and reactant (CO2) correlated well with the mass balance method. However, highest biodegradation was determined by mass balancing, followed by stoichiometry, and finally SIA that resulted in the lowest estimates, in general. The investigated topsoil proved to be very suitable as a potential cover layer by removing up to 99% of methane for CH4 loads of 35 - 65 gm-2d-1 that are typical in the aftercare phase of landfills. Finally, SIA and the stoichiometric approach were used to trace microbial activity within the reactor system and were able to validate a newly employed technique by thermographic imaging. It was shown that methane consumption and temperature increase -as a cause of high microbial activity- correlated very well. In future studies this will allow investigating the response of cover materials to additional simulated environmental changes such as fissure formation by plant root penetration and the influence of weather conditions such as desiccation or high precipitation. These exemplify events whose influences on the cover layer are not well understood, yet. All in all this work improves the understanding and comparability of techniques to evaluate methane oxidation. Based on this work, further opportunities in terms of forecasting and modelling the behavior of the methane oxidation layer are facilitated.Neben Wasser stellen Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) die wichtigsten Treibhausgase dar. Während Methan einen um zwei Größenordnungen geringeren Anteil in der Atmosphäre aufweist als Kohlenstoffdioxid, hat es im Vergleich zu CO2 ein bis zu 28 mal größeres Treibhausgaspotential . In Bezug auf anthropogene Methanemissionen nimmt der Abfallsektor eine wichtige Stelle ein. Mülldeponien sind hier von besonderem Interesse, da weltweit die Deponierung den Hauptentsorgungsweg von Müll darstellt. Durch Fermentation im anaeroben Müllkörper entsteht das sogenannte Deponiegas, welches zum größten Teil aus CH4 und CO2 besteht. Letzteres wird wegen seines zunächst hohen Brennwerts zur Produktion von Energie und Wärme genutzt. Auf einer Deponie nehmen jedoch sowohl der Anteil an CH4 als auch die Menge an gebildeten Deponiegas im Laufe der Zeit ab. Eine wirtschaftliche Nutzung ist dann nicht mehr möglich. Da die Deponieverordnung aber eine Behandlung des entstandenen Gases vorschreibt, stellen passive Systeme wie die Methanoxidationsschicht eine Alternative zu aktiven Systemen zur Behandlung von sogenannten Restmengen bzw. Schwachgas dar. Sie benötigen, im Gegensatz zu aktiven Systemen, keine zusätzliche Technik und Maschinen, die oft mit einem hohen Wartungsaufwand verbunden sind. Ein Nachteil besteht jedoch darin, die Menge des oxidierten Methans zu bestimmen und somit die Leistungsfähigkeit einer Methanoxidationsschicht einzuschätzen. Hierfür kommen verschiedene Techniken zum Einsatz. Darunter zählt auch die Analytik stabiler Isotope (SIA). Sie beruht auf der Gegebenheit, dass die für die Oxidation verantwortlichen methanotrophen Bakterien das leichtere Isotop 12CH4 gegenüber dem schwereren 13CH4 bevorzugen. Diese Präferenz lässt sich durch den Anreicherungsfaktor ε beschreiben. Als Folge der bakteriellen Metabolisierung fraktioniert das zum Teil oxidierte CH4 und unterscheidet sich so von dem gebildeten Methan im anaeroben Müllkörper. Dieser Unterschied ermöglicht die Abschätzung der relativen Biodegradation. Neben der Isotopensignatur des gebildeten und des teiloxidierten Methans, ist die Kenntnis des sogenannten Anreicherungsfaktors von großer Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurden hierzu die Anreicherungsfaktoren bei unterschiedlichen Temperaturen und für unterschiedliche Bakterientypen (Typ I und II) mittels der Gaschromatographie mit Kopplung an die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (GC-IRMS) bestimmt. Der Mittelwert ± Standardabweichung lag bei ε = 0.021 ± 0.004 (gemischte Methanotrophe in Mutterboden: ε = 0.0202 ± 0.0047 bei 22°C und ε = 0.0231 ± 0.0059 bei 30°C; gemischte Anreicherungskultur bei 22°C: ε = -0.0136 ± 0.0036; Typ I Anreicherungs-kultur: ε = 0.0242 ± 0.0007 bei 22°C und ε = 0.0202 ± 0.0030 bei 30°C; Typ II Anreicherungskultur: ε = 0.0204 ± 0.0028 bei 22°C; ε = 0.0232 ±0.0020 bei 30°C). Beim Vergleich mit der Literatur zeigten sich ähnliche Werte, dessen Unsicherheit in Bezug auf die Standardabweichung aber generell sehr hoch ist (bis zu ~20%). Ein Unterschied von ε durch die verschiedenen Faktoren ließ sich statistisch nicht nachweisen. Weiterhin zeigte sich, dass die Standardabweichung von ε den Wert für vorgeschlagene temperaturabhängige Korrekturen umschließt. Dies bedeutet, dass für den Bereich von 10-40°C, was den regulären Aktivitätsbereich der Oxidationsschicht umfasst, eine Korrektur im Vergleich zu einem Wert mit entsprechender Standardabweichung statistisch nicht signifikant ist und somit eine untergeordnete Rolle spielt. Ein weiterer Faktor, der die Isotopenfraktionierung beeinflusst ist die Diffusion. Sie muss bei Berechnungen entsprechend berücksichtigt werden. Der Diffusionskoeffizient und die diffusionsabhängige Isotopenfraktionierung für ein potentielles Abdeckmaterial wurden bei 22.5°C und 30°C bestimmt und mit der Literatur verglichen. Mit einem Mittelwert von εdiff = 0.0212 ± 0.005 bei 22.5°C und εdiff = 0.0218 ± 0.003 bei 30°C lagen die Werte in derselben Größenordnung wie für die Methanoxidation, und weiterhin im Rahmen der analytischen Unsicherheit für den theoretischen Wert von εdiff = 0.0191. Die so bestimmten, wichtigen Parameter konnten nun verwendet werden, um die Biodegradation eines organisch geprägten Mutterbodens als potentielles Abdeckmaterial, der in einem neuen Reaktordesign eingesetzt wurde, zu berechnen. Unterschiedliche Methoden, darunter die Bilanzierung durch Massenbilanz, ein stöchiometrischer Ansatz basierend auf CH4 und CO2, und SIA, wurden dabei angewandt und u.a. statistisch miteinander verglichen. Alle Methoden zeigten untereinander eine gute Korrelation. Zusätzlich ergab sich, dass die Massenbilanz die höchste Abschätzung aufwies, gefolgt vom stöchiometrischen Ansatz und SIA. Der untersuchte Mutterboden zeigte sich schließlich als geeignet für die Entfernung von bis zu 99% an CH4 für Gasfrachten von 35 65 gm-2Tag-1, die in der Nachsorgephase einer Deponie üblich sind. Im letzten Kapitel kamen SIA und der stöchiometrische Ansatz zum Einsatz, um die aktive Zone der Methanoxidation im Reaktor zu lokalisieren. Die Ergebnisse wurden mit einer neu angewandten Technik, der Thermographie, verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass der berechnete Methanumsatz mit einer entsprechenden Temperaturerhöhung einherging. Somit erweist sich die Thermographie als geeignetes Mittel, um die Aktivität der Bakterien unter verschiedenen Einflussfaktoren zu erfassen. Sie ermöglicht es weiterhin zukünftige Untersuchungen zu unterschiedlichen Umwelteinflüssen wie Austrocknung, verstärkte Regenereignisse, oder die Rissbildung durch Wurzelbildung in Abstimmung mit der SIA durchzuführen. Schließlich erweitert diese Arbeit das Verständnis für die Veränderlichkeit der bakteriellen Methanoxidationsschicht unter verschiedenen Umweltaspekten und unterstützt somit die Modellierung der Methanoxidationsschicht für eine bessere Vorhersage auf Deponien
Neue mikro- und nano-strukturierte Membranen für die Meerwasserentsalzung
Full text linkNowadays, water desalination using reverse osmosis membranes has been recognized as one of versatile steady technologies that can potentially fulfill the global growing needs for drinking water. Polyamide thin-film composite (PA TFC) membranes are currently the most abundantly used membrane materials for most of the desalination plants. They have been remarkably developed over the last decades toward efficient separation agents exhibiting improved performance and extended operating time. Among several suggested strategies, the introduction of the “super-switching” concept is considered as a new interesting trend for sustainable water desalination technology. The “super-switching” properties can be specifically adapted to water desalination membranes via consolidating two different phenomena; “surface micro-patterning” and “double stimuli-responsivity”.
Here, a novel surface micro-patterning approach is presented as a promising platform toward PA TFC membranes of superior performance. Micro-patterned PA TFC membranes were successfully fabricated using two microfabrication methods, combined processes of vapor- and liquid non-solvent induced phase separation micro-molding, as well as micro-imprinting lithography, followed by systematic refinement of the interfacial polymerization conditions on the patterned membrane supports. The micro-patterned PA TFC membranes were observed to exhibit superior water permeability, ~ 2 – 2.4 times compared to flat PA TFC membranes, without sacrificing the membrane selectivity. A detailed concentration polarization analysis employing different membrane orientations, with patterned grooves “parallel” and “perpendicular” to the direction of feed cross-flow, was also carried out. The results emphasized the merits of implementing the micro-patterned TFC membranes in promoting the separation performance, especially at high feed concentrations. “Parallel” orientation was always favorable because of remarkable reduction of concentration polarization as a result of enhanced surface mixing.
Afterward, a convenient surface modification method was investigated and adapted in order to prepare “super-switching” desalination membranes via grafting of a double stimuli-responsive layer, made from poly(N-isopropylacrylamide) homopolymer and its copolymers with poly(acrylic acid), atop the micro-patterned PA TFC membranes. The results revealed the ability of the surface-modified micro-patterned PA TFC membranes to switch between very high hydrophilicity and high hydrophobicity upon changing of pH, temperature, or combinations thereof. Additionally, the grafted layer was observed to enhance the membrane performance through a possible “repairing mechanism” for the selective PA layer.
Furthermore, the antifouling propensity of the newly developed PA TFC membranes toward colloidal silica fouling was studied employing dead-end filtration mode at no stirring conditions. The membrane surface topography and roughness were emphasized to be the most influential parameters, while the chemical surface modification had a secondary impact.
Overall, the detailed development steps of different membrane layers in order to prepare surface-modified micro-patterned PA TFC membranes are systematically introduced in this work and reinforced by the relevant characterization and testing experiments.Umkehrosmosemembranen zur Meerwasserentsalzung liefern heutzutage einen wertvollen Beitrag zur Bereitstellung von Trink- und Brauchwasser. Vorherrschend werden dafür Polyamid-basierte Dünnfilm-Komposit (PA TFC) Membranen als Material für Membranmodule in den Wasserentsalzungsanlagen verwendet. Die Anforderungen an das Membranmaterial sind einerseits gute Trenneigenschaften gegenüber den abzutrennenden Salzen, andererseits aber auch hohe Permeabilitäten und lange Standzeiten der Module. Innerhalb der letzten Jahrzehnte wurden viele Strategien untersucht, um die Leistung der Membranen kontinuierlich zu steigern. Ein neues Konzept ist die Etablierung „super-schaltbarer“ Oberflächen für Entsalzungsmembranen; dafür können Konzepte zur Mikro-Strukturierung der Membranoberfläche mit Funktionalisierungen, die zu einer doppelten Stimuli-Responsivität führen, kombiniert und spezifisch auf die Anforderungen der Wasserentsalzung angepasst werden.
In dieser Arbeit werden neue Wege zur Mikro-Strukturierung der Oberfläche von PA TFC Membranen etabliert, die zu einer signifikant verbesserten Trennleistung führen. Mikro-strukturierte Trägermembranen konnten dafür erfolgreich auf zwei unterschiedlichen Wegen hergestellt werden. Zum einen wurde ein aus Dampf- und Nichtlösungsmittel-induzierter Phasenseparation kombinierter Herstellprozess für poröse Membranen zur Mikro-Abformung („micro molding“) einer entsprechenden Schablone verwendet. Zum anderen wurde ein Lithografieverfahren zum Mikro-Prägen („micro molding“) bereits etablierter poröser Trägermembranen mit derselben Schablone etabliert. Mithilfe systematischer Anpassungen der Reaktionsbedingungen für die Grenzflächenpolymerisation wurden dann PA TFC Membranen erhalten. Diese mikro-strukturierten PA TFC Membranen zeigten eine Verbesserung der Wasserpermeabilität um das 2 – 2.4-fache im Vergleich zu konventionellen PA TFC Membranen, ohne dass der Salzrückhalt beeinträchtigt wurde.
Zur Charakterisierung des Einflusses auf die Trennleistung bei der Entsalzung wurde die Orientierungen der Mikrokanäle auf der Membranoberfläche variiert; sowohl eine parallele als auch eine senkrechte Ausrichtung zum tangentialen Feed-Strom wurden untersucht. Eine parallele Anordnung ergab die größte Verringerung der Konzentrationspolarisation, als Konsequenz der effektivsten Vermischung an der Membranoberfläche, was vor allem bei hohen Salzkonzentrationen im Feed zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Trennleistung führte.
Anschließend wurde eine geeignete Reaktion zur Beschichtung der Membranoberflächen mit Poly(N-isopropylacrylamid) als Homopolymer und als Copolymer mit Poly(acrylsäure) etabliert, um damit eine „super-schaltbare“ Oberfläche zu generieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Membranoberflächen auf Änderungen des pH-Wertes und der Temperatur reagieren und dass die Effekte auch kombiniert werden können. So ist es möglich, von einer stark hydrophilen zu einer stark hydrophoben Oberfläche zu schalten. Darüber hinaus wurde auch gefunden, dass durch die reaktive Polymerbeschichtung Defekte in der Trennschicht der PA TFC Membran „repariert“ werden können.
Weiterhin wurden die Membranen hinsichtlich ihres Foulingverhaltens gegenüber kolloidalem Siliciumdioxid in dead-end Filtrationen ohne Rühren untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die mikroskalige Oberflächentopografie sowie die nanoskalige Oberflächenrauheit die größten Einflussfaktoren auf das Fouling sind.
Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit verschiedene neue Möglichkeiten zur Oberflächenmodifikation von PA TFC Membranen mittels Mikro-Strukturierung und Beschichtung mit funktionalen Polymeren etabliert, detailliert charakterisiert und hinsichtlich der resultierenden Verbesserung der Membrantrennleistung beurteilt werden
Funktionelle Komponenten in den EPS –extrazellulären polymeren Substanzen- der Eisen oxidierenden Biofilm formenden Acidithiobacillus Spezies.
Full text linkBiologische Laugung ist die Auflösung von Metallsulfiden durch acidophile Schwefel- und/oder Eisen-oxidierende Mikroorganismen. Da deren biologische Aktivität sowohl negative als auch positive Auswirkungen haben kann, werden im Folgenden beide gegensätzlichen Aspekte diskutiert: I) Der negative Effekt der biologischen Laugung ist bekannt als „Acid mine drainage“ oder „Acid rock drainage“ (AMD/ARD), dieser geht einher mit der Verschmutzung des Bodens und Wassers durch Schwefelsäure und Schwermetalle. II) Der positive Effekt ist die Möglichkeit der Verwendung von Biolaugungs-Mikroorganismen in der biotechnologischen Anwendung zur Gewinnung von Metallen aus minderwertigen metallsulfidischen Erzen und Abfallmaterialien. Anheftung und Biofilmbildung auf diesen Erzen und Materialien haben einen wesentlichen Einfluss auf die Laugungsaktivität dieser Mikroorganismen. Jedoch ist die Biofilmbildung durch die Biolaugungs-Mikroorganismen auf metallhaltigen Sulfiden bisher nicht vollständig erforscht. Die Zusammensetzung der extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) ist einer der grundlegenden Aspekte des Biofilmes, unter anderem vermitteln die EPS die Anheftung der Mikroorganismen an die Substrate. EPS bestehen aus unterschiedlichsten Substanzen wie Polysacchariden, Fettsäuren, extrazellulärer DNA (eDNA), Proteinen und anderen. Die Zusammensetzung der EPS kann variieren in Abhängigkeit zur Gattung, zur Energiequelle, aber auch zu anderen äußeren Umwelteinflüssen, die während des Wachstums vorherrschen.
Ziel dieser Arbeit war es, die Mengen und die Zusammensetzung der EPS der drei Acidithiobacillus Spezies Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 53993, Acidithiobacillus ferrivorans SS3 und Acidithiobacillus ferridurans ATCC 33020 zu untersuchen. Verschiedene Substrate wie Pyrit, Chalcopyrit, Sphalerit und elementarer Schwefel wurden als Energiequellen für die Mikroorganismen genutzt, um deren Einfluss auf die EPS Zusammensetzungen und Mengen zu untersuchen.
Um die bakterielle EPS Produktion zu verbessern, wurden zunächst die Kultivierungsbedingungen optimiert, mit dem Ziel, die Extraktion und Analyse der EPS zu erleichtern. Unterschiedlichste Bedienungen wie verschiedene Zusätze (z.B. Glucuronat, Eisen(III) Ionen und Citrat), der Austausch des Mediums und verschiedene Kultivierungstemperaturen wurden getestet. Eine Phosphat Konzentration von 1 mM und ein Zusatz von 1 mM Glucuronat zeigten sich als geeignet für die Kultivierung der Mikroorganismen auf Metallsulfiden. Im Gegensatz hierzu zeigte sich eine Phosphat Konzentration von 1 mM in Kombination mit einem Austausch des Mediums alle vier Tage als für die Kultivierung der Mikroorganismen mit elementarem Schwefel geeignet.
Die Extraktion der sogenannten „tightly-bound EPS“ (TB EPS) wurde mittels eines Kationen-Austausch-Harzes (CER) durchgeführt, während die „loosely-bound EPS“ (LB EPS) durch Zentrifugieren extrahiert wurden. Die planktonische Subpopulation (PP) und die Biofilm Subpopulation wurden in dieser Arbeit getrennt voneinander extrahiert und analysiert. Die quantitativen Analysen der wichtigsten EPS-Bestandteile (Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Uronsäuren, eDNA) zeigten wesentliche Unterschiede bei einem Vergleich der eingesetzten Substrate, während die Unterschiede zwischen den Arten im Vergleich gering waren.
Die EPS Proteine wurden mittels einer Hoch-Durchsatz-Shotgun-Proteomik-Methode identifiziert. Eine sogenannte „cluster of orthologous group” (COG) Analyse zeigte, dass Proteine mit unterschiedlichsten Funktionen in den EPS detektiert werden konnten. Eine Vorhersage der Siganlsequenzen für die Sekretion, die in den Aminosäuresequenzen codiert sind, zeigte wiederum, dass mehrere der gefundenen Proteine wahrscheinlich sekretiert werden, während andere gefundene Proteine keine Siganlsequenzen oder aber keine bekannte Siganlsequenzen besaßen. Speziell die beiden letzteren Proteingruppen können ihren Ursprung auch in der Lyse von Zellen haben.
Durch das sogenannte „protein basic local alignment search tool“ (BLAST) wurde die Aminosäuresequenz von uncharakterisierten Proteinen mit bekannten funktionellen Domänen verglichen. Konservierte funktionelle Domänen, die in Zusammenhang mit Funktionen wie DNA Bindung, Metalltoleranz, Adhäsion, Proteinfaltung, Eisenoxidation, Elektronentransfer und mehr stehen, konnten in unterschiedlichen Proteinen nachgewiesen werden. Besonders die Proteine mit der Kennung Lferr_0115 und Lferr_2308 des Mikroorganismus At. ferrooxidans ATCC 53993 könnten für weiterführende Charakterisierungsstudien von Interesse sein. In Lferr_0115 wurden unterschiedliche funktionelle Domänen detektiert, die verbunden sind mit den Funktionen Chaperon Faltung (YscW domain Bit Score 88.87), Kupfertoleranz/Kupferefflux und Adhäsion an abiotische Oberflächen (NlpE Bit Score 80.88), sowie eine META Domäne (Bit Score 103.95) und eine HSlJ Sequenz (Bit Score 68.61). Proteine mit META Domänen sind involviert in die Motilität. Bei dem HSlJ Protein handelt es sich um ein membranassoziiertes Hitzeschockprotein. In dem Protein Lferr_2308 wurden funktionelle Domänen detektiert, die mit der Chemotaxis (Tar Bit Score 48.06) und der Zell-Oberflächen-Adhäsion (Yad A Bit Score 72.53) zusammenhängen.Biological leaching is the dissolution of metal sulfides by acidophilic sulfur- and/or iron-oxidizing microorganisms. As the biological leaching activity can result in both negative and positive outcomes, both of these two contrary aspects are discussed below: I) The negative effect of bioleaching is known as acid mine drainage or acid rock drainage (AMD/ARD) and the concomitant pollution of soil and water with sulfuric acid and heavy metals. II) The positive option to use bioleaching microorganisms in biotechnological applications, for the recovery of metals from low-grade metal sulfide ores or waste materials. Attachment and biofilm formation on these ores and materials has a major impact on the leaching activity of these microorganisms. However, biofilm formation by bioleaching microorganisms on the metal-bearing sulfides is not thoroughly understood. The composition of the extracellular polymeric substances (EPS), which mediate adhesion to solid substrates, is fundamental for the biofilm lifestyle. The EPS consist of several different compounds such as polysaccharides, fatty acids, extracellular DNA (eDNA), proteins and others, which may vary between species, and also be dependent on the energy source and other environmental conditions prevailing during growth.
The objective of this study was to investigate the amounts and composition of the EPS, of the iron-oxidizing Acidithiobacillus species Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 53993, Acidithiobacillus ferrivorans SS3 and Acidithiobacillus ferridurans ATCC 33020. Different solid substrates, such as pyrite, chalcopyrite and sphalerite as well as elemental sulfur were used as energy source, in order to test their influence on differences in the EPS composition and amounts.
For these experiments, the cultivation method was optimized, to improve the bacterial EPS production, in order to facilitate extraction and analysis of EPS. Different conditions were assayed, like addition of different supplements (e.g. glucuronate, iron(III) ions, citrate), exchange of cultivation media, different growth temperature. Phosphate (1 mM) and supply of glucuronate (1 mM) revealed as suitable for the cultivation of the microorganisms on metal sulfides. In contrast, phosphate (1 mM) together with an exchange of cultivation media every four days were chosen, when microorganisms where grown in the presence of sulfur.
For the extraction of the tightly-bound EPS (TB EPS), a cation exchange resin (CER) was used, whereas the loosely-bound EPS (LB EPS) was extracted by centrifugation. The EPS of cells from the planktonic cell sub-population (PP) and the biofilm cell sub-population (BP) were extracted and analyzed separately. Quantitative analysis of major EPS components (proteins, carbohydrates, lipids, uronic acids, eDNA) revealed main differences when the solid substrates were compared, whereas only minor inter-species differences were observed.
Finally, the EPS proteins were identified using a high-throughput shotgun proteomics approach. A cluster of orthologous group (COG) analysis revealed insights into various functions of the EPS proteins. A prediction of secretion sequences within the amino acid sequences revealed that several proteins could possibly be secreted, whereas many other proteins harbored none or no known secretion sequence and could be originated from lysed cells.
By a protein basic local alignment search tool (BLAST) uncharacterized proteins were compared to known functional domains. Proteins were found to have conserved domains, with functions related to DNA binding, metal tolerance, adhesion, protein folding, iron oxidation, electron transfer and others. Two proteins are of special interest, according to their predicted functions. These proteins, with the locus tag Lferr_0115 and Lferr_2308 of At. ferrooxidans ATCC 53993, may be interesting for further characterization studies. Lferr_0115 harbored sequences which are described as related to chaperon function (YscW domain Bit Score 88.87), copper tolerance/efflux and adhesion to abiotic surfaces (NlpE Bit Score 80.88), a META domain (Bit Score 103.95), some proteins containing these domain are involved in motility, as well as HslJ sequence (Bit Score 68.61) a membrane associated heat shock protein. Lferr_2308 has predicted functions in e.g. chemotaxis (Tar Bit Score 48.06) and cell surface adhesion (Yad A Bit Score 72.53)