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Perfluorodecalin-filled poly-n-butyl-cyanoacrylate) nanocapsules as artificial oxygen carriers
No full textDiese Arbeit beinhaltet eine systematische Studie über die Optimierung und Hochskalierung der Synthese von Perfluordecalin-gefüllten Poly-n-butylcyanoacrylat-Nanokapseln, die als künstliche Sauerstoffträger Verwendung finden sollen. Darüber hinaus wurde eine umfangreiche Charakterisierung des Systems vorgenommen und das Verhalten in biologischer Umgebung untersucht.
Bei der Syntheseoptimierung stellte sich heraus, dass die Molenbrüche der organischen bzw. wässrigen Phase hinsichtlich der ursprünglichen Standardsynthese (180 ± 30 nm) bereits ein Optimum gewünschter Dispersionscharakteristika erzielen. Unter Zuhilfenahme der 19F-NMR-Spektroskopie und der Dekonvolution von Größenverteilungen konnte dabei im Rahmen dieser Analysen sogar die An- oder Abwesenheit von Nanosphären und Nanokapseln diskriminiert werden. Um eine bessere Sauerstoffversorgung zu bewirken, konnte zudem auch die eingekapselte PFD-Menge ohne Anpassung des Monomergehalts erhöht werden ohne die Größenverteilung kurzfristig und signifikant zu verändern. Diese Fähigkeit als auch die geforderte Gasreversibilität des Prozesses, konnten auch durch den Einsatz der 19F-NMR-Spektroskopie dokumentiert werden. Für eine bessere längerfristige Stabilität muss allerdings der Monomergehalt angepasst werden, auch wenn dies zu leicht größeren mittleren hydrodynamischen Radien und eventuell dickeren Kapselwänden führt, da ansonsten eine mutmaßlich höhere Tendenz zur Koaleszenz besteht. In anderen Versuchen wurde eine Reduktion bzw. Substitution des Tensids angestrebt, da Tenside eine physiologisch negative Wirksamkeit haben können. Dieses Vorhaben erwies sich als relativ unproblematisch. Dabei verringerten sich zwar die Kapselgrößen etwas, jedoch wurde kein signifikanter Einfluss auf die Langzeitstabilität festgestellt. Die Verringerung der Kapselgrößen wurde hierbei physikalisch-chemisch interpretiert, nämlich durch die Veränderung der Oberflächenspannung und der „aktiven Grenzflächenkonzentration“ des Monomers durch die Präsenz des Tensids. Die Kapselsysteme präsentierten sich sogar ohne den Tensid-Einsatz als nahezu unverändert in ihrer Stabilität. Des Weiteren konnte die auch kritische Verwendung von Dichlormethan oder Aceton in Bezug auf ihre akute Toxizität eliminiert werden, ohne dass Mischungslücken im System entstanden. Dabei konnte auch gezeigt werden, dass sich die Langzeitstabilitäten ohne Dichlormethan oder Aceton sogar deutlich verbessern. Analog dazu wurde auch in den Variationen mit größeren Lösungsmittelanteilen eine ausgeprägtere Alterungsempfindlichkeit nachgewiesen. Hingegen zeigte eine Erhöhung der Synthese-Temperatur kaum einen Einfluss auf die Dispersionscharakteristika (193 ± 31 nm bei 40 °C). Die T-Erniedrigung führte im Gegensatz dazu zu deutlich kleineren Nanokapseln (135 ± 30 nm bei 5 °C), da in diesem T-Bereich anscheinend das sensible Zusammenspiel kinetischer und thermodynamischer Parameter, wie Reaktionsgeschwindigkeit, Diffusionskoeffizienten und Löslichkeiten, stärker beeinträchtigt werden als bei T-Erhöhung. Insgesamt konnte durch die Variationen der Bereich der metastabilen Ouzo-Region für dieses System besser abgegrenzt werden. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass es möglich ist die Kapselgrößen z.B. über den Tensidgehalt oder über die Synthesetemperatur einzustellen ohne dabei einen Stabilitätsverlust hinnehmen zu müssen.
Die Standardsynthese zeigte sich außerdem als geeignet eine erfolgreiche Hochskalierung in den halbtechnischen Maßstab durchzuführen. Es zeigte sich dabei, dass die erhaltenen hochskalierten Dispersionen marginal monodisperser bei vergleichbarer Langzeitstabilität relativ zur Standardsynthese sind. Auch bei einem Stresstest bei 60 °C-Lagerung erwies sich das Kapselsystem als relativ beständig.
Zusätzlich wurde die Morphologie der Nanokapseln mit verschiedenen elektronenmikroskopischen Methoden, wie SEM, ESEM, Cryo-TEM und SR-SIM, charakterisiert. Dabei wurde die sphäroidale Kapselstruktur bestätigt, die eine Wanddicke gemäß den Cryo-TEM-Aufnahmen von 9 +/- 3 nm aufweist, also nach geometrischer Betrachtung etwa acht aufeinanderfolgende Polymerlagen umfasst. Sowie laut Berechnung die Nanokapseln eine zwei- bis dreifache Monomerbedeckung besitzen, die zu einer maximalen Kapselwanddicke von 2-3 nm führt. Nebenbei dokumentiert dieses Merkmal die Eignung für einen möglichst guten Gasaustausch. Das SR-SIM-Verfahren zeigte darüber hinaus, dass sich die PFD-Kerne der Kapseln auch mit den ausgewählten fluorierten Porphyrin-basierten Fluoreszenzfarbstoffen markieren lassen, ohne dass das Syntheseergebnis erkennbar beeinflusst wird. Dadurch wird prinzipiell ermöglicht das Verhalten und den Verbleib der Nanokapseln im biologischen System (z.B. Gewebe) zu studieren.
Weiterhin wurde ein Beitrag zum Verständnis der exzellenten Gaslöslichkeiten von Perfluorcarbonen, respektiv Perfluordecalin, via Raman-Spektroskopie und quanten-chemischer Rechnungen geleistet. Mithilfe der theoretischen Rechnungen konnten drei Energieminima für das trans-PFD und ein Minimum für das cis-PFD verifiziert werden, deren Wechselwirkungsenergien im Bereich von etwa -3 bis -4 kJ/mol liegen, also rein dispersiven Kräften entsprechen. Die Isomere differieren dabei nur geringfügig in ihrer Wechselwirkungsenergie mit O2, daher wird auf eine ähnliche Sauerstofflöslichkeit geschlossen. Auch die Bindungsabstände in den dabei berechneten Geometrien weisen nicht auf eine chemische Beteiligung in der vermutlich ausschließlich physikalischen Gaslöslichkeit hin. Dieser Schluss konnte auch aus den Ergebnissen der Mikro-Raman-Spektroskopie gezogen werden, die zudem erstmals als geeignete Methode für die Bestimmung von Henry-Konstanten in diesem Zusammenhang erschlossen werden konnte. Der allgemein anerkannte und qualitative Trend für die zunehmende Gaslöslichkeit von Perfluorcarbonen in der Reihe N2 ˂ O2 ˂˂ CO2 wurde dabei bestätigt und erstmalig für das PFD quantitativ unter Laborbedingungen determiniert.
Um die Verwendbarkeit der PnBCA-PFD-Nanokapseln in biologischen Systemen zu gewährleisten, wurde initial die Synthese auf den kommerziell erhältlichen Wundkleber Indermil® umgestellt, der bereits steril verpackt geliefert wird. Dadurch ist ein erster Schritt für zukünftige medizinische Projekte bereits vollzogen, bei denen ein steriles und medizinisch zugelassenes Produkt bereitgestellt werden soll. Denkbar wäre auch eine nachträgliche schnelle Pasteurisierung, da sich das Kapselsystem im Stresstest bei 60 °C zumindest über einen gewissen Zeitraum als relativ resistent präsentierte. Die rheologischen Eigenschaften der Nanokapseldispersionen wurden ebenfalls bestimmt, wodurch in zukünftigen medizinisch-biologischen Experimenten eine Abschätzung des physiologisch wichtigen Parameters, der Viskosität, möglich wird. Mit den Viskositätsmessungen konnte außerdem physikalisch fundiert werden, in welchem Bereich der Einsatz bestimmter Dispersionsvolumina biologisch zumutbar ist. In medizinischen Experimenten (Leberperfusionen und intravenöse Infusionen) wurde weiterhin die Anwendbarkeit der synthetisierten Nanokapseln auf die Probe gestellt. Hierbei wurde gefunden, dass die Nanokapseln keine wahrnehmbaren negativen Auswirkungen auf die Lebern bzw. Versuchstiere im Beobachtungszeitraum hatten. Die Experimente mit perfundierten Rattenlebern und in vivo stellten sich also insgesamt als prospektiv für die Weiterentwicklung dieses Kapselsystems heraus
Charakterisierung des Dnmt2 Homologs Pmt1 in Schizosaccharomyces pombe
No full textDNA nucleotide methyltransferases (Dnmts) are the enzymes responsible for the conversion of cytosine to 5-methylcytosine in eukaryotes. The fission yeast Schizosaccharomyces pombe contains a putative DNA methyltransferase, termed pombe methyltransferase1 (Pmt1) that belongs to the Dnmt2 family of cytosine methyltransferases, but intriguingly has no DNA methylation. Dnmt2 family members from several organisms have been demonstrated to methylate tRNAAsp at position
C38 rather than cytosines in DNA, but the biological function of this tRNA
modification has remained largely unknown. In this study, we found that Pmt1 is able to methylate position C38 of tRNAAsp and to a lesser extent tRNAGlu in vitro using methylation of tRNA transcripts by recombinant
Pmt1. RNA bisulfite sequencing of tRNAs showed that Pmt1 is also active in vivo. These results show that mt1 in principle has methyltransferase activity, although it was previously thought to be inactive due to a deviation in catalytic motif IV from other Dnmt2 enzymes. Furthermore, in vivo Pmt1 activity was strongly influenced by a nutritional factor in the growth medium. Induction of Pmt1 methyltransferase activity was observed upon the addition of peptone to S. pombe growth medium.
Furthermore, the induction of Pmt1 activity required the serine/threonine kinase Sck2 and was independent of the kinases Sck1, Pka1 and Tor1. Significantly, cells with full tRNA methylation displayed a shortened chronological lifespan, whereas the deletion of pmt1+ lead to an elongated lifespan in fission yeast. In summary, out data show that Pmt1 is an active tRNA methyltransferase. Furthermore, Pmt1 function is regulated in a nutrient-dependent manner by the serine/threonine kinase Sck2, and it is involved in the regulation of chronological
aging in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe.DNA Methyltransferasen (Dnmts) in Eukaryoten katalysieren die Umwandlung von Cytosin zu 5-Methylcytosin. Die Spalthefe Schizosaccharomyces pombe besitzt eine mögliche DNA Methyltransferase namens Pombe Methyltransferase1 (Pmt1), die zur
Familie der Dnmt2 Enzyme gehört, besitzt jedoch keine nachweisbare DNA Methylierung. Dnmt2 Homologe aus verschiedenen Organismen sind in der Lage, tRNAAsp an Position C38 zu methylieren und zeigen vergleichsweise geringe DNA Methylierungsaktivität. Die biologische Funktion dieser tRNA-Modifikation ist bisher kaum erforscht. Unsere Ergebnisse aus in vitro Methylierungsanalysen mit rekombinantem Pmt1
zeigen, dass das S. pombe Homologe von Dnmt2 in der Lage ist, tRNAAsp und tRNAGlu aus der Spalthefe zu methylieren. Diese Resultate demonstrieren, dass Pmt1 ein aktives Enzym ist, obwohl frühere Untersuchungen nahe legten, dass eine Abweichung von der Konsensussequenz der Dnmt2 Enzyme im katalytischen Motiv IV zu einer Inaktivierung des Enzyms geführt hat. Mittels der RNA Bisulfit-Sequenzierung konnten wir diese Aktivität auch in vivo zeigen. Interessanterweise zeigten unsere Untersuchungen, dass die Aktivität von Pmt1 durch die Nährstoffe im Kultivierungsmedium reguliert wird. Die Methyltransferaseaktivität von Pmt1 wurde induziert, wenn dem S. pombe Vollmedium Pepton zugesetzt wurde. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass für die Induktion der Pmt1-Aktivität die Serin/Threonin-
Kinase Sck2 benötigt wird, wohingegen die Kinasen Sck1, Pka1 und Tor1 keinen Einfluß auf die Pmt1-abhängige tRNA-Methylierung hatten. Schließlich konnten wir außerdem zeigen, dass Hefezellen, die eine starke tRNA-Methylierung aufweisen, eine verkürzte chronologische Lebensspanne besitzen. Die Deletion des pmt1+-Gens führt hingegen zu einer Verlängerung der Lebensspanne der S. pombe Zellen.
Zusammengefasst zeigen unsere Daten, dass Pmt1 eine aktive tRNA
Methyltransferase ist, dass die Funktion von Pmt1 nährstoffabhängig von der Serin/Threonin kinase Sck2 reguliert wird, und dass Pmt1 an der Regulation der chronologischen Alterung in der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe beteiligt ist
Funktionelle nahinfrarotspektroskopische Untersuchung der Sehrinde kleiner Frühgeborener im Rahmen einer augenärztlichen Untersuchung
No full textEinleitung:
Funktionelle Untersuchungen sind wichtig zum Verständnis der Hirnentwicklung Frühgeborener (FG). Das augenärztliche Retinopathie (ROP)-Screening kleiner Frühgeborener wurde als Reiz verwendet, um die lokale hämodynamische Reaktion der Sehrrinde mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) zu untersuchen.
Patienten und Methodik:
Eingeschlossen wurden alle Frühgeborene (FG), die gemäß der aktuellen Leitlinie (1) augenärztlich untersucht wurden. Ausschlusskriterien: kardiopulmonale Instabilität, Fehlbildungen des Gehirns oder der Augen.
Das Prinzip der NIRS beruht auf dem charakteristischen Absorptionsspektrums des Hämoglobins für nahinfrarotes Licht in Abhängigkeit des Oxygenierungszustandes. Gemessen werden Konzentrationsänderungen des oxygenierten Hämoglobins (O2Hb) und des desoxygenierten Hämoglobins (HHb) sowie der tissue oxygenation index (TOI). Parallel werden die Herzfrequenz und die Sättigung aufgezeichnet. Die fNIRS nutzt die Tatsache, dass bei neuronaler Aktivität vermehrt Sauerstoff verbraucht wird.
Der Versuchsablauf sah zunächst eine Stimulation bei geschlossenen Augen ohne weitere Manipulation vor. Im Anschluss erfolgte die augenärztliche Screening-Untersuchung.
Ergebnisse:
20 FG, bei Geburt: Gestationsalter (GA): median 29+4 (23+6 – 40+0) SSW, Gewicht median: 1230 (650 – 2780)g; bei Untersuchung: GA: median 35+2 (31+1 – 44+4) SSW, Gewicht median: 2068 (1300 - 3070)g
Reize auf geschlossene Augen: Abfall O2Hb, Anstieg HHb (ns), Augenärztliche Untersuchung: Abfall TOI (ns), Anstieg Herzfrequenz (p=0,001), Abfall arterielle Sauerstoffsättigung (p=0,01)
Diskussion:
Nur die hämodynamischen Veränderungen auf die ersten beiden Reize (geschlossene Augen) können als reizbedingt interpretiert werden. Mit zunehmender Untersuchungsdauer kam es zu einer Stressreaktion bis hin zur Minderung der Sauerstoffsättigung des Gehirns, die die lokale Reizantwort der Sehrinde überlagerte
Eine Förderstudie zur Fachsprache im Chemieunterricht
No full textDas Ziel dieser Studie ist es, den Einfluss der Beherrschung der Unterrichtssprache und der Fachsprache auf das Lernen der Unterrichtsinhalte zu beschreiben und Fördermaterialien zu entwickeln, die sowohl die Fachsprache als auch das Lernen im Fach unterstützen. Hierzu wurde der Sprachstand der Schülerinnen und Schüler in der Unterrichtssprache und in der Fachsprache erhoben. Aufgrund der Ergebnisse im Unterrichtssprachentest und im Fachsprachentest wurden die Schülerinnen und Schüler auf die Interventions- und Kontrollgruppen verteilt. In den Kontrollgruppen wurden die Schülerinnen und Schüler mit Materialien mit dem Schwerpunkt der herkömmlichen Übungsaufgaben und in den Interventionsgruppen wurden die Schülerinnen und Schüler mit dem Schwerpunkt der Fachsprache gefördert. Jede Gruppe hat sich die gleichen Lerninhalte erarbeitet und anschließend haben sie sich mit den Fördermaterialien auseinandergesetzt. Schließlich wurde der Sprachstand der Schülerinnen und Schüler in der Unterrichts- und Fachsprache sowie die Chemieleistung erneut erhoben. Es zeigt sich, dass eine chemiebezogene Sprachförderung eine positive Wirkung auf das Zusammenhangsverständnis der Schülerinnen und Schüler hat. Außerdem wurde gezeigt, dass die Beherrschung der Unterrichtssprache und der Fachsprache eine positive Wirkung auf die Ergebnisse der Unterrichts- und Fachsprachentests hat.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit die Relevanz der Beherrschung der Unterrichtssprache und der Fachsprache wiederholt betonen
Die Auswirkung von Feinsedimentablagerung auf benthische Wirbellose in luxemburgischen Mittelgebirgsquellbächen
No full textIntensive agriculture causes increased soil erosion worldwide, resulting in a higher level of fine sediment in aquatic systems. Although the accumulation of fine sediment (incorganic and organic particles) on the streambed is a widely-known phenomenon in streams and rivers, no comprehensive field studies have been conducted on the effect of deposited fine sediment on the benthic macroinvertebrates in small headwater streams in Central Europe. This thesis’ current questions are, firstly, which environmental variables influence the input and the deposition of fine sediment and, secondly, does the sedimentation impact the indicator species’ and macroinveterbates’ community composition. Located in the Ardennes Mountains, this case study focused on 11 tributaries of the river Our in northern Luxembourg and the bordering Rhineland-Palatinate (Germany). The increased soil erosion of this catchment area is caused by the soil type (a layer of clay and silt) as well as the tillage, which is mainly conducted on the slopes. A total of 29 samples sites were recorded the fine sediment and environmental variables as well the benthic macroinvertebrates, in the period from 2008 to 2010. The surficially deposited fine sediment was recorded for one year from autumn 2008 to autumn 2009 using artificial turf mats. Every three weeks two sections were collected from each site: one with rapid flow velocity (riffles) and the other with a sinking area for particles (pools). The amount of fine sediment was weighed; the proportion of organic matter and the proportion of carbon to nitrogen (C/N ratio) as a measurement of microbial decomposition in the deposition were calculated. Additionally, the numerous environmental variables acting on diverse spatial scales were recorded during the sampling periods, such as on the catchment scale (e.g., the land use in the catchment, the catchment area), on the riparian zone (e.g., the land use directly on the stream bank or in a distance of five meters, the shadowing); on the in-stream scale (e.g., the bank height, the physicochemical parameters, the substrate distribution); as well as on the deposited patches (e.g., flow velocity, water depth, substrate cover). The recorded sediment and environmental data were applied to all studies and utilized the ordinations and regressions analyses. The fine sediment components were mostly influenced by the environmental variables of the in-stream scale (33 - 40%) and the catchment scale (24 - 34%), which reflected the explained variance for all components with nearly 100% in the partial redundant analysis (pRDA) and RDA (41 - 57%). The proportion of cropland in the catchment was related to the amount of fine sediment (12%). In contrast, the maximum level of conductivity in the water column associated with the nutrient enrichment was best explained by the C/N ratio (17%). The percentage of fine gravel on the streambed was connected to the amount of fine sediment (18%). This underlies the significance of the hydromorphological in-steam properties such as the flow velocity or the substrate distribution for the deposition processes. The macroinvertebrate assemblages in the stream reaches were recorded using the standardised procedure based on multi-habitat sampling in autumn 2008 and spring 2009. The species composition and selected biological metrics were obtained in response to fine sediment metrics and additional environmental variables. As a result of canonical corresponded analysis, only the C/N ratio of 11% of deposited fine sediment explained the community composition, which emphasizes that the chemical composition of deposition and not the amount of fine sediment plays an essential role for the biota. Despite the C/N ratio, the oxygen parameters were key variables influencing both the community composition and the biological metrics. This revealed the contribution of eutrophication in the deposited fine sediment and in the water zone. The effect of locally deposition patterns and environmental variables on the abundance of eight insect larvae were examined in the two sections of riffles and pools. Both fine sediment cover in the patches and fine sediment amount at the site have a generally low impact on the species’ abundance. Only two species have a strong relationship to fine sediment: Ephemera danica to fine sediment cover in pools (R2 = 0.74, p < 0.001) and Philopotamus ludificatus (R2 = 0.72, p < 0.001) to the amount of fine sediment recorded at the sites. In conclusion, this doctoral thesis demonstrates that the effect of siltation on the biota in the small headwater streams in rural areas is low. The possible reasons were discussed in detail and included the relatively homogenic geographical situation in this region, the possible absence of reference communities, the short-term effect of high amounts of sediment during periods of insect emergence or the young larval stage. In addition, the hydromorphological characteristics of small headwater streams provide a diversity and richness of microhabitats and deposition patterns, which is essential for bentic macroinvertebrates.Die Intensivierung der Landwirtschaft führt weltweit zur verstärkten Bodenerosion und zu diffusen Einträgen von Feinsediment in die Gewässersysteme. Eine flächendeckende Verschlammung und Versandung der Gewässersohle ist ein weit verbreitetes Bild vieler Fließgewässer, jedoch existieren bisher keine ausführlichen Studien über die Auswirkungen der Feinsedimentablagerung auf benthische Wirbellose in mitteleuropäischen Mittelgebirgsquellbächen. Welche Umweltfaktoren den Eintrag und die Ablagerung von Feinsediment im Gewässer beeinflussen, und wie die Sedimentation auf einige Insektenlarven und die Makrozoobenthos Gemeinschaft wirkt, sind die Kernfragen dieser Doktorarbeit. Diese Fallstudie wurde an den Zuflüssen der Our im nördlichen Luxemburg und dem angrenzenden Bundesland Rheinland-Pfalz durchgeführt. Die zwischen Tonschiefergesteinen auftretenden erosionsanfälligen feinkörnigen Auenlehmlagen werden infolge der landwirtschaftlichen Landnutzung verstärkt auf den Hängen abgetragen. Insgesamt wurden im Zeitraum 2008 bis 2010 an 11 Quellbächen mit 29 Probestellen das Feinsediment, benthische Proben und Umweltparameter erfasst. Das auf der Gewässersohle abgelagerte Feinsediment wurde im Verlauf eines Jahres (Herbst 2008 bis Herbst 2009) mit Hilfe von Kunstrasenstücken beprobt. Alle drei Wochen wurde in den entsprechenden Gewässerabschnitten das Feinsediment in strömungsschnellen (Riffle) und strömungsruhigen (Pool) Bereichen gesammelt. Das Feinsediment wurde gewogen, und der relative Anteil an organischer Substanz sowie als Maß für die mikrobielle Zersetzung das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff (C/N Verhältnis), bestimmt. Mehrere Umweltparameter unterschiedlicher räumlicher Maßstäbe, wie die Einzugsgebiet-Skala (z.B. Nutzungsart und -deckung, Einzugsgebietsgröße), die Gewässernähe (Relativer Anteil der Vegetationsarten direkt am und in fünf Meter Entfernung vom Gewässer, Beschattung), das Gewässer (z.B. Uferhöhe, Substratverteilung, physikochemische Parameter) und die Ablagerungsmuster (z.B. Fließgeschwindigkeit, Wassertiefe, Feinsedimentdeckung), wurden erhoben. Die Umweltparameter wurden in Hinblick auf die Fragestellungen entsprechend aufbereitet und analysiert. Die Ergebnisse der Redundanzanalysen offenbaren für die Feinsedimentablagerung eine hohe Bedeutung der Gewässer- und Einzugsgebietsfaktoren. Der Eintrag von Feinsediment wird durch die intensive ackerbauliche Nutzung im Einzugsgebiet verstärkt, was eine hohe Korrelation (12%) zwischen dem Anteil an Ackerland mit der Feinsedimentmenge verdeutlicht. Hingegen steht das C/N Verhältnis mit dem Maximalwert der Leitfähigkeitsreihe im Zusammenhang, was auf eine Verbindung zur Nährstoffanreicherung im fließenden Wasser hinweist. Die hydromorphologischen Gewässerbettgegebenheiten, wie die Substratverteilung und die Strömungsgeschwindigkeit, spielen dagegen die größte Rolle für die Ablagerungsmuster im Gewässerbett. In einer weiteren Studie wurde der Einfluss der Umweltparameter auf die Artenzusammensetzung und auf die auf Basis der Taxaliste berechneten biologischen Indizes mit weiteren Ordinationsanalysen überprüft. Das C/N Verhältnis und die Sauerstoffparameter sind die wichtigsten Kenngrößen sowohl für die Artenzusammensetzung als auch für die biologischen Indizes. Dies unterstreicht die Mitwirkung anderer Stressoren wie die Eutrophierung. Die Nährstoffanreicherung in der Ablagerung und im Wasser verursacht eine starke biologische Aktivität und daraus resultierende Sauerstoffzehrung, was einschränkend auf die Organismen wirken kann. Nicht die Feinsedimentmenge sondern die chemische Zusammensetzung des Feinsediments hat den größten Einfluss auf die Artenzusammensetzung. In einer weiteren Studie wurde der Einfluss der Feinsedimentmenge auf acht ausgewählte Insektenlarven überprüft. Die Arten wurden in quadratischen Flächen in Riffles und Pools gezählt und die kleinräumigen Besiedlungsmuster der Arten charakterisiert. Sowohl die Feinsedimentdeckung der untersuchten Flächen als auch die charakterisierenden Bestandteile des Feinsediments in den Gewässerabschnitten haben einen geringeren Einfluss auf die Artenabundanzen. Nur zwei Arten zeigten einen starken linearen Zusammenhang mit der Feinsedimentmenge: Ephemera danica (R2 = 0,74, p < 0,001) zur Feinsedimentdeckung in Pools und Philopotamus ludificatus (R2 = 0,72, p < 0,001) zur Feinsedimentmenge im Gewässerabschnitt. Zusammenfassend zeigt diese Forschungsarbeit, dass in einer ländlichen Region die Sedimentation eine geringere Auswirkung auf die Biozönose der Quellbäche ausübt, was mehrere Gründe haben könnte und im Rahmen dieser Arbeit ausführlich diskutiert wurde. Zu den mutmaßlichen Gründen zählen wegen der homogenen geographischen Bedingungen die fehlende Referenzbiozönose sowie kurzzeitige Wirkung an hohen Mengen an Feinsediment, was in den Zeiträumen von Emergenz der Insekten oder jüngeren Larvalstadien stattfinden könnte. Ferner bieten die Quellbäche durch ihre hydromorphologische Charakteristik zahlreiche kleinräumige Mosaikstrukturen, die für eine Vielzahl von Organismen von Bedeutung sind
Influence of Toso for effector function of granulocyte
No full textDie initiale Kontrolle einer bakteriellen Infektion ist von Zellen des angeborenen Immunsystems abhängig. Opsoniert durch das Komplementsystem und von Antikörpern unterschiedlicher Isotypen werden Pathogene von Granulozyten phagozytiert und durch die intrazelluläre Synthese von reactive oxygen species (ROS) eliminiert. Störungen wie die chronischen granulomatösen Erkrankungen (CGD), die die Funktion von Granulozyten beeinträchtigen, sind häufig mit chronischen und rezidivierenden Pilz und Bakterien Infektionen assoziiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung von fas apoptotic inhibitory molecule 3 (Faim3/Toso) mittels einer Deletionsmutante während einer Infektion mit dem Bakterium Listeria monocytogenes im Mausmodell betrachtet. Derzeit wird die funktionelle Wirkungsweise dieses Transmembranproteins als anti‐apoptotisches
Molekül bzw. als Rezeptor für IgM kontrovers diskutiert. Toso defiziente Mäuse wiesen in der frühen Infektionsphase eine hohe Mortalität auf. Die
spezifische Depletion der Granulozyten erhöhte die Suszeptibilität von C57BL/6 Mäusen für L. monocytogenes, wohingegen der adoptive Transfer von C57BL/6 Granulozyten die Resistenz von Toso‐/‐ Mäusen wiederherstellte. Erstmals konnte die Expression von Toso auf Granulozyten und eine durch Phagozytose bedingte Herunterregulation des Proteins beschrieben werden. Der Einfluss von Toso auf den Phagozytoseprozess von Bakterien und die Synthese von ROS konnte sowohl in vitro als auch in vivo nachgewiesen werden. Die Deletion von Toso auf Blutgranulozyten verringerte die IgM abhängige Phagozytoserate von Bakterien. Desweiteren erhöhte Toso den Schwellenwert für die Induktion der ROS‐Synthese und verhinderte eine frühzeitige Aktivierung und Degranulation der Granulozyten im Blut. Als Folge dieser Dysregulation wiesen Toso defiziente Mäuse verminderte Effektorfunktionen der Granulozyten im Gewebe und eine erhöhte Pathogenlast in den Organen auf. Im Rahmen dieser Dissertation wurde Toso als wichtiger Regulator für die Aktivierung und die Koordination der Effektorfunktionen von Granulozyten identifiziert.The initial control of bacterial infection depends on cells of the innate immune system. Pathogens which are opsonized by the complement system and antibodies of different isotypes are phagocytosed by granulocytes and eliminated by intracellular synthesis of reactive oxygen species (ROS). Disorders such as chronic granulomatous disease (CGD),
which affect the function of granulocytes, are often associated with chronic and recurrent fungal and bacterial infections. In the present work, the importance of fas apoptotic inhibitory molecule 3 (Faim3/Toso)
was investigated by a knockout mice during infection with the bacterium Listeria monocytogenes. Currently, there is a controversial discussion about the functional mechanism of this transmembrane protein as anti‐apoptotic molecule or a receptor for IgM. Toso deficient mice succumbed in the early phase of infection. The specific depletion of
granulocytes increased susceptibility of C57BL/6 mice for L. monocytogenes, while adoptive transfer of C57BL/6 granulocytes restored resistance of Toso‐/ mice. For the first time expression of Toso on granulocytes and a phagocytosis depending downregulation of
this protein were described. An influence of Toso for uptake of bacteria and synthesis of ROS were demonstrated in vitro and in vivo. The deletion of Toso on granulocytes reduced the IgM‐dependent phagocytosis of bacteria. Furthermore, Toso increased the threshold
for induction of ROS synthesis and prevented early activation and degranulation of the granulocytes in the blood. As a consequence of this dysregulation Toso deficient mice showed reduced effector functions of granulocytes in tissue and increased bacterial burden in the organs.
In the current thesis Toso has been identified as an important regulator for the activation and coordination of the effector functions in granulocytes
Determination of polar pesticide metabolites in aqueous matrices by LC-MS and investigation of occurring matrix effects
No full textThe application of numerous pesticides in agriculture and municipal areas several times a year, leads to the infiltration of pesticides into the topsoil via leaching and drainage processes. Furthermore, partial chemical or biological degradation lead to the formation of pesticide metabolites. The formed metabolites are typically more mobile and persistent than the precursors and contribute to a contamination of ground water resources. During conventional water treatment, those polar metabolites often cannot be effectively removed. Additional risks may occur when these substances are chemically modified by oxidative processes like ozonation or disinfection in drinking water treatment, forming products of toxicological concern. Monitoring and maintaining water quality during drinking water treatment requires reliable and sensitive analytical methods in order to respond directly, if any significant changes in water quality occur. At present, the analysis of polar pesticide metabolites is usually carried out by liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The determination of trace amounts of organic constituents in water often requires large volume direct injection (LVDI). The application of a large amount of sample matrix leads to a significant influence on the electrospray ionisation (ESI) process which in turn affects correct quantification. Major objectives of this study were therefore the development and optimisation of LC-MS/MS methods for quantification of pesticide metabolites in trace level and examination of matrix influences on ESI. In this context, the chromatography was optimised for the requirements for LVDI and separation of polar pesticide metabolites from sample matrix. To reduce or compensate matrix effects, various strategies have been developed, optimised and examined for their suitability in the specific water matrix. Subsequently, with the developed analytical methods the occurrence of pesticide metabolites in surface water, ground water and drinking water has been investigated in the area around the Rhine and Ruhr (North Rhine-Westphalia).
For N,N-dimethylsulfamide (DMS) – a metabolite of the fungicide tolylfluanid – it is already known that during the drinking water treatment with ozone the carcinogenic N-nitrosodimethylamine (NDMA) is formed. Furthermore, it is known that the disinfection with hypochlorite degrades DMS completely, however it was unknown which chlorination transformation products are formed. Therefore, a further objective of this work was to detect and characterise potential chlorination transformation products, which were formed during the chlorination with hypochlorite.Die langjährige Anwendung von Pflanzenschutzmittelwirkstoffen (PSM-Wirkstoffen) in der Landwirtschaft und auf kommunalen Flächen führt durch Versickerung oder Abschwemmung der PSM-Wirkstoffe zu einer Beeinträchtigung der Grundwasser-ressourcen. Dabei werden nicht nur die PSM-Wirkstoffe selbst, sondern oft ihre biologischen oder chemischen Metaboliten im Grundwasserleiter nachgewiesen, da sie zumeist eine erhöhte Wasserlöslichkeit und Persistenz aufweisen. Hinzu kommt, dass die PSM-Metaboliten aufgrund ihres polaren Charakters während der Wasseraufbereitung nicht immer effektiv entfernt werden und bei Einsatz von oxidativen Trinkwasseraufbereitungsprozessen sogar toxikologisch bedenkliche Stoffe bilden können. Daher werden zur Überwachung der Wässer im Vorfeld der Trinkwassergewinnung schnelle, sichere und empfindliche Analysenmethoden benötigt, um unverzüglich auf Veränderungen der Wasserqualität reagieren zu können. Die Analytik von polaren PSM-Metaboliten erfolgt inzwischen meist mit der Flüssigchromatografie-Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS). Um den Anforderungen der Bestimmung im Spurenbereich gerecht zu werden, erfolgt häufig die Direktinjektion großer Probenvolumen (LVDI). Hierbei gelangen nicht nur die Zielsubstanzen in das Massenspektrometer, sondern häufig auch störende, in der Wassermatrix enthaltene Komponenten, die mitunter zu einer deutlichen Beeinflussung der Ionisierung und dadurch Beeinträchtigung der präzisen Quantifizierung führen. Neben der Entwicklung und Optimierung von LC MS/MS Methoden für die Quantifizierung der PSM-Metaboliten im Spurenbereich bestand daher ein wichtiges Ziel dieser Arbeit darin, die Auswirkung des Matrixeinflusses zu untersuchen. In diesem Zusammenhang wurde insbesondere die Chromatografie optimiert, um die Anforderungen an die LVDI und Trennung der polaren Metaboliten von der Matrix zu erfüllen. Um den Matrixeinfluss zu reduzieren bzw. zu kompensieren, wurden verschiedene Strategien entwickelt, optimiert und auf ihre Eignung in der spezifischen Wassermatrix untersucht. Abschließend wurden die entwickelten analytischen Verfahren zum Monitoring von Oberflächen-, Grund- und Trinkwässern eingesetzt und der Eintrag von PSM-Metaboliten im Gebiet um Rhein und Ruhr untersucht.
Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Detektion und Charakterisierung von Nebenprodukten des Fungizid-Metaboliten N,N-Dimethylsulfamid (DMS), die bei der Chlorierung von DMS-haltigen Wässern entstehen können. Aus der Literatur war hierzu bisher nur bekannt, dass beim Einsatz von Ozon im Rahmen der Trinkwasseraufbereitung in DMS-haltigen Rohwässern das kanzerogene N-Nitrosodimethylamin gebildet, während bei der Chlorung des Trinkwassers mittels Hypochlorid das DMS vollständig abgebaut wird
Applicability and Application of Microscopic Traffic Simulations
No full textAnwendbarkeit und Anwendung mikroskopischer Verkehrssimulationen
Die Dynamik des Verkehrsflusses zeigt unterschiedliche, komplexe räumliche und zeitliche Muster. Ein bekanntes Phänomen ist beispielsweise der abrupte und plötzliche Abfall der Durchschnittsgeschwindigkeit auf einem Streckenabschnitt, der zu Stauungen führt.
Zur Beurteilung der Qualität dreier ausgewählter Verkehrsmodelle (dem Nagel-Schreckenberg Modell (NSM), dem Intelligent Driver Model (IDM) und dem Comfortable Driving Model (CDM)) wird deren Fähigkeit einen solchen Zusammenbruch des Verkehrsflussses zu reproduzieren untersucht. Für eine möglichst realistische Untersuchung werden dazu reale Zählschleifendaten herangezogen, die eben einen solchen Zusammenbruch zeigen. Es werden mehrere Methoden vorgestellt, mit denen die übereinstimmung der empirischen mit den Simulationsdaten beurteilt werden kann. Zusätzlich wird der Einfluss einiger Modellierungsaspekte auf die Ergebnisse diskutiert.
Für das CDM, welches eine gute übereinstimmung mit den Echtdaten zeigte, werden in einem zweiten Schritt die raum-zeitlichen Verkehrsmuster untersucht, die sich aus unterschiedlichen Ein- und Ausflussraten bei offenen Rändern ergeben. Auf Grundlage der Zeitreihen lokaler Messungen werden dann die Verkehrszustände den Verkehrsphasen der Kernerschen Drei-Phasen-Verkehrstheorie zugeordnet. Für diese Zuordnung wird die regelbasierte FOTO-Methode verwendet (Kerner et al., 2002). Auch diese Analyse zeigt, dass das CDM alle drei unterschiedlichen Verkehrsphasen (Freifluss, synchronisierter Verkehr und Stau) reproduzieren kann. Diese Beobachtung ist überraschend, da diese Eigenschaft von Verkehrsmodellen mit einem Fundamentaldiagramm wie dem CDM nicht erwartet wird.
Aufgrund dieser insgesamt guten übereinstimmung mit empirischen Daten wurde das CDM auch für simulative Untersuchungen von Strategien zur Verkehrsflussoptimierung mittels Fahrzeug-Fahrzeug Kommunikation verwendet. Da der Zusammenbruch des Verkehrsflusses aus von Fahrern verursachten Störungen resultiert, wird vorgeschlagen die Verkehrslage durch regelmäßig gesendete Kurznachrichten zu analysieren und Fahrer vor einem drohenden Zusammenbruch des Verkehrs zu warnen. Fahrer, die eine solche Warnung erhalten, halten daraufhin einen größeren Abstand zum Vordermann ein und verursachen dadurch mit geringerer Wahrscheinlichkeit Fluktuationen, die den Verkehr zusammenbrechen lassen. Es zeigt sich, dass schon Durchdringungsraten von \SI{10}{\percent} kommunizierender Fahrzeuge einen deutlich messbaren Einfluss auf den gesamten Verkehrsfluss haben.
Schließlich betrachten wir heterogenen Verkehr, bestehend aus kommunizierenden und nicht-kommunizierenden Fahrzeugen, genauer. Unter der Annhame, dass kommunizierende Fahrzeuge ihren Vorder- und Hintermann mit Hilfe von Sensoren orten können, fragen wir, wie viele nicht-kommunizierende Fahrzeuge so im Durchschnitt geortet werden.Traffic flow is a very prominent example of a driven non-equilibrium system, which shows a very complex spatiotemporal dynamics. A characteristic phenomenon of traffic dynamics is the spontaneous and abrupt drop of the average velocity on a stretch of road leading to congestion.
To assess the quality of three selected microscopic traffic models (the Nagel-Schreckenberg model (NSM), the intelligent driver model (IDM), and the comfortable driving model (CDM)), we study their ability to reproduce such a traffic breakdown, whose spatiotemporal dynamics we investigate as well. Our analysis is based on empirical traffic data from stationary loop detectors showing a spontaneous breakdown on a German Autobahn. We then present several methods to assess the results and to compare the models with each other. In addition, we will also discuss some important modeling aspects and their impact on the resulting spatiotemporal pattern.
For the CDM, which gave good results in this assessment, we analyze the spatiotemporal patterns resulting from different inflow and outflow rates with open boundary conditions. Based on time series of local measurements, the local traffic states are assigned to different traffic phases according to Kerner's three-phase traffic theory. For this classification we use the rule-based FOTO-method, which was developed by Kerner et al. in 2002. Our analysis shows that the model is indeed able to reproduce three qualitatively different traffic phases: free flow, synchronized traffic, and wide moving jams. This is surprising because traffic models with a fundamental diagram, such as the CDM, are not expected to reproduce the synchronized phase.
By virtue of this overall good agreement with empirical findings, we chose the CDM to investigate via computer simulations how traffic congestion can be reduced with the help of vehicle-to-vehicle communication. As the reasons for a traffic breakdown are perturbations caused by human drivers in dense traffic, we propose using periodically emitted status messages to analyze traffic flow and to warn other drivers of a possible traffic breakdown. Drivers who receive such a warning are told to keep a larger gap to their predecessor. By doing so, they are less likely the source of perturbations, which can cause a traffic breakdown. We show that penetration rates of 10% and less can have significant influence on traffic flow and travel times.
Finally, we address a rather practical problem of heterogeneous traffic consisting of
communicating and non-communicating vehicles. If communicating vehicles can detect the vehicle ahead (and behind) by front (and rear) sensors, we give exact solutions for the average number of detected vehicles
Toxikologische in vitro Evaluierung von organischen Spurenstoffen vor und nach der oxidativen Abwasserbehandlung
No full textThe contamination of surface waters with organic micropollutants is a well known problem and increased over the last decades. One reason for their release and consequently their detection in surface waters is their incomplete degradation and therefore insufficient removal during conventional waste water treatment processes. To overcome this problem advanced oxidation processes have been proposed as an additional treatment step, since the formation of highly reactive hydroxyl radicals helps to degrade those substances.
This study was therefore designed to investigate the toxicological properties (cytotoxic, genotoxic, mutagenic and estrogenic) of several substances before and after ozonation or UV/H2O2 treatment in either waste water treatment plant effluents or HPLC-water using toxicological in vitro methods. These methods are able to identify biological effects of the whole water sample thus the entire complexity of chemicals. In addition cellular based methods will give an overview on possible induction mechanisms which will lead to a manifestation of effects on the organ or even organism level.
In the case of Terbutryn its genotoxicity before treatment was first increased at low ozone dosages (36, 100, and 195 μg/L) but was removed at the highest ozone dosage (800 μg). Similar results have been shown for TPP. Genotoxic effects were only seen before ozonation, but after 60 minutes of ozonation these effects were removed.
The ozonation of Triclosan resulted in the formation of the by-product 2,4-Dichlorophenol. Both substances did not exhibit cytotoxic effects up to a maximum tested concentration of 100 μg/L. Genotoxic effects were only seen for Triclosan starting at a concentration of 10 μg/L. Thus a less genotoxic by-product has been formed during ozonation.
The estrogenicity tests showed that HPLC-water containing Bisphenol A did no longer have estrogenic effects after UV/H2O2 treatment whereas neither the ozonation nor the UV/H2O2 treatment of Ethinylestradiol for 60 minutes resulted in a
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complete loss of estrogenic activity. The musk fragrance HHCB in contrast did not show estrogenic effects, neither before nor after ozonation.
For the two beta blockers (Atenolol and Metoprolol), the antibiotics Sulfamethoxazole and Ofloxacin as well as the musk fragrance AHTN neither before nor after ozonation or UV/H2O2 oxidation cytotoxic effects were detected. The ozonation of Irgaol 1051 did also not lead to cyto- or genotoxic effects. The results of the oxidation experiments with Bisphenol A, Ciprofloxacin and HHCB demonstrated that formed oxidation by-products differ in regard to toxicity depending on treatment method and water matrix. Cytotoxic effects for all three substances were only detected in HPLC-water after 60 minutes of UV/H2O2 but not in waste water treatment plant effluent. In addition no toxicity was detected after the same time of oxidation using ozone. The tested concentrations of TCPP as well as TCEP were not toxic before oxidative treatment. However cytotoxic effects were detected after UV/H2O2 treatment whereas the ozonation did not induce cytotoxicity.
In general it can be concluded that ozonation as well as UV/H2O2 oxidation are two useful methods for the removal of the here tested substances from the effluents of waste water treatment plants in regard to their degradation and to prevent the formation of toxic oxidation by-products considering the used test methods (MTT Test, PAN I, Alkaline Comet Assay, Ames Test, and ER Calux). However a generalized statement about micropollutants their removal and toxicity is not possible, and needs to be established on a case by case basis since operating conditions as well as the matrix composition vary over time. The successful use of toxicological in vitro methods for the detection of biological effects of waste water treatment plant effluents in combination with advanced oxidation processes is confirmed by other studies, e.g. a study performed by the Eawag at the waste water treatment plant in Regensdorf or the PILLS project
Internationale Direktinvestitionen in Japan: Ein Test der Außenseiterthese anhand eines erweiterten Gravitationsmodells
No full textIm Vergleich zu anderen Industrieländern wird das Ausmaß ausländischer Direktinvestitionen in Japan als sehr gering eingeschätzt, weshalb dem Land eine Außenseiterrolle in den internationalen Direktinvestitionsbeziehungen zugeschrieben wird. Sowohl für die Entwicklung der japanischen Wirtschaft als auch für ausländische Investoren ist die Stichhaltigkeit dieser Einschätzung von hoher Relevanz. Daher wird die Außenseiterthese anhand aktueller Datensätze einem Test unterzogen. Dabei wird ein erweitertes Gravitationsmodell hergeleitet, das japanspezifische Charakteristika beinhaltet. Die beiden verwendeten Paneldatensätze für den Zeitraum 1996 bis 2007 basieren auf Angaben der OECD und der Deutschen Bundesbank, wobei letzterer neben einer Aggregation nach Ländern auch Daten zu deutschen Direktinvestitionen im Ausland nach einzelnen Branchen aufweist.
Zwar können den Ergebnissen zufolge kulturelle und geographische Eigenarten, hohe Kosten des „Doing Business“ und ein großes Maß an Bürokratie und Regulierung einen Teil des beobachteten Sonderstatus Japans erklären, allerdings sind ausländische Direktinvestitionen in Japan auch unter Berücksichtigung relevanter Entscheidungskriterien so gering, dass Japan auf Basis der aggregierten Daten als Außenseiter klassifiziert werden kann. Die Ergebnisse für die einzelnen Branchen weisen jedoch bemerkenswerte Unterschiede auf: Während viele Wirtschaftszweige das Bild der aggregierten Daten widerspiegeln, bestätigt sich dieses nicht für den Automobilbau, Finanzdienstleistungen, allgemeine Geschäftsdienstleistungen und die Computerbranche