@phdthesis{Wenk2020,
  author    = {Wenk, Sebastian},
  title     = {Engineering formatotrophic growth in Escherichia coli},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {V, 107},
  year      = {2020},
  abstract  = {To meet the demands of a growing world population while reducing carbon dioxide (CO2) emissions, it is necessary to capture CO2 and convert it into value-added compounds. In recent years, metabolic engineering of microbes has gained strong momentum as a strategy for the production of valuable chemicals. As common microbial feedstocks like glucose directly compete with human consumption, the one carbon (C1) compound formate was suggested as an alternative feedstock. Formate can be easily produced by various means including electrochemical reduction of CO2 and could serve as a feedstock for microbial production, hence presenting a novel entry point for CO2 to the biosphere and a storage option for excess electricity. Compared to the gaseous molecule CO2, formate is a highly soluble compound that can be easily handled and stored. It can serve as a carbon and energy source for natural formatotrophs, but these microbes are difficult to cultivate and engineer. In this work, I present the results of several projects that aim to establish efficient formatotrophic growth of E. coli - which cannot naturally grow on formate - via synthetic formate assimilation pathways. In the first study, I establish a workflow for growth-coupled metabolic engineering of E. coli. I demonstrate this approach by presenting an engineering scheme for the PFL-threonine cycle, a synthetic pathway for anaerobic formate assimilation in E. coli. The described methods are intended to create a standardized toolbox for engineers that aim to establish novel metabolic routes in E. coli and related organisms. The second chapter presents a study on the catalytic efficiency of C1-oxidizing enzymes in vivo. As formatotrophic growth requires generation of both energy and biomass from formate, the engineered E. coli strains need to be equipped with a highly efficient formate dehydrogenase, which provides reduction equivalents and ATP for formate assimilation. I engineered a strain that cannot generate reducing power and energy for cellular growth, when fed on acetate. Under this condition, the strain depends on the introduction of an enzymatic system for NADH regeneration, which could further produce ATP via oxidative phosphorylation. I show that the strain presents a valuable testing platform for C1-oxidizing enzymes by testing different NAD-dependent formate and methanol dehydrogenases in the energy auxotroph strain. Using this platform, several candidate enzymes with high in vivo activity, were identified and characterized as potential energy-generating systems for synthetic formatotrophic or methylotrophic growth in E. coli.   In the third chapter, I present the establishment of the serine threonine cycle (STC) - a synthetic formate assimilation pathway - in E. coli. In this pathway, formate is assimilated via formate tetrahydrofolate ligase (FtfL) from Methylobacterium extorquens (M. extorquens). The carbon from formate is attached to glycine to produce serine, which is converted into pyruvate entering central metabolism. Via the natural threonine synthesis and cleavage route, glycine is regenerated and acetyl-CoA is produced as the pathway product. I engineered several selection strains that depend on different STC modules for growth and determined key enzymes that enable high flux through threonine synthesis and cleavage. I could show that expression of an auxiliary formate dehydrogenase was required to achieve growth via threonine synthesis and cleavage on pyruvate. By overexpressing most of the pathway enzymes from the genome, and applying adaptive laboratory evolution, growth on glycine and formate was achieved, indicating the activity of the complete cycle. The fourth chapter shows the establishment of the reductive glycine pathway (rGP) - a short, linear formate assimilation route - in E. coli. As in the STC, formate is assimilated via M. extorquens FtfL. The C1 from formate is condensed with CO2 via the reverse reaction of the glycine cleavage system to produce glycine. Another carbon from formate is attached to glycine to form serine, which is assimilated into central metabolism via pyruvate. The engineered E. coli strain, expressing most of the pathway genes from the genome, can grow via the rGP with formate or methanol as a sole carbon and energy source.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schimpf2020,
  author    = {Schimpf, Stefan},
  title     = {Herkunft und Ablagerungsmilieu quart{\"a}rer Sedimente im Einzugsgebiet des Heihe, NW China},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xi, 186},
  year      = {2020},
  abstract  = {Der zentralasiatische Naturraum, wie er sich uns heute pr{\"a}sentiert, ist das Ergebnis eines Zusammenwirkens vieler verschiedener Faktoren {\"u}ber Jahrmillionen hinweg. Im aktuellen Kontext des Klimawandels zeigt sich jedoch, wie stark sich Stofffl{\"u}sse auch kurzfristig {\"a}ndern und dabei das Gesicht der Landschaft verwandeln k{\"o}nnen. Die Gobi-W{\"u}ste in der Inneren Mongolei (China), als Teil der gleichnamigen Trockenregionen Nordwestchinas, ist aufgrund der Ausgestaltung ihrer landschaftspr{\"a}genden Elemente sowie ihrer Landschaftsdynamik, im Zusammenhang mit der Lage zum Tibet-Plateau, in den Fokus der klimageschichtlichen Grundlagenforschung ger{\"u}ckt. Als großes Langzeitarchiv unterschiedlichster fluvialer, lakustriner und {\"a}olischer Sedimente stellt sie eine bedeutende Lokalit{\"a}t zur Rekonstruktion von lokalen und regionalen Stofffl{\"u}ssen dar.. Andererseits ist die Gobi-W{\"u}ste zugleich auch eine bedeutende Quelle f{\"u}r den {\"u}berregionalen Staubtransport, da sie aufgrund der klimatischen Bedingungen insbesondere der Erosion durch Ausblasung preisgegeben wird. Vor diesem Hintergrund erfolgten zwischen 2011 und 2014, im Rahmen des BMBF-Verbundprogramms WTZ Zentralasien - Monsundynamik \& Geo{\"o}kosysteme (F{\"o}rderkennzeichen 03G0814), mehrere deutsch-chinesische Expeditionen in das Ejina-Becken (Innere Mongolei) und das Qilian Shan-Vorland. Im Zuge dieser Expeditionen wurden f{\"u}r eine Bestimmung potenzieller Sedimentquellen erstmals zahlreiche Oberfl{\"a}chenproben aus dem gesamten Einzugsgebiet des Heihe (schwarzer Fluss) gesammelt. Zudem wurden mit zwei Bohrungen im inneren des Ejina-Beckens, erg{\"a}nzende Sedimentbohrkerne zum bestehenden Bohrkern D100 (siehe W{\"u}nnemann (2005)) abgeteuft, um weit reichende, erg{\"a}nzende Informationen zur Landschaftsgeschichte und zum {\"u}berregionalen Sedimenttransfer zu erhalten. Gegenstand und Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die sedimentologisch-mineralogische Charakterisierung des Untersuchungsgebietes in Bezug auf potenzielle Sedimentquellen und Stofffl{\"u}sse des Ejina-Beckens sowie die Rekonstruktion der Ablagerungsgeschichte eines dort erbohrten, 19m langen Sedimentbohrkerns (GN100). Schwerpunkt ist hierbei die Kl{\"a}rung der Sedimentherkunft innerhalb des Bohrkerns sowie die Ausweisung von Herkunftssignalen und m{\"o}glichen Sedimentquellen bzw. Sedimenttransportpfaden. Die methodische Herangehensweise basiert auf einem Multi-Proxy-Ansatz zur Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies anhand von Gel{\"a}ndebeobachtungen, lithologisch-granulometrischen und mineralogisch-geochemischen Analysen sowie statistischen Verfahren. F{\"u}r die mineralogischen Untersuchungen der Sedimente wurde eine neue, rasterelektronenmikroskopische Methode zur automatisierten Partikelanalyse genutzt und den traditionellen Methoden gegen{\"u}bergestellt. Die synoptische Betrachtung der granulometrischen, geochemischen und mineralogischen Befunde der Oberfl{\"a}chensedimente ergibt f{\"u}r das Untersuchungsgebiet ein logisches Kaskadenmodell mit immer wiederkehrenden Prozessbereichen und {\"a}hnlichen Prozesssignalen. Die umfangreichen granulometrischen Analysen deuten dabei auf abnehmende Korngr{\"o}ßen mit zunehmender Entfernung vom Qilian Shan hin und erm{\"o}glichen die Identifizierung von vier texturellen Signalen: den fluvialen Sanden, den D{\"u}nensanden, den Stillwassersedimenten und St{\"a}uben. Diese Ergebnisse k{\"o}nnen als Interpretationsgrundlage f{\"u}r die Korngr{\"o}ßenanalysen des Bohrkerns genutzt werden. Somit ist es m{\"o}glich, die Ablagerungsgeschichte der Bohrkernsedimente zu rekonstruieren und in Verbindung mit eigenen und literaturbasierten Datierungen in einen Gesamtkontext einzuh{\"a}ngen. F{\"u}r das Untersuchungsgebiet werden somit vier Ablagerungsphasen ausgewiesen, die bis in die Zeit des letzten glazialen Maximums (LGM) zur{\"u}ckreichen. W{\"a}hrend dieser Ablagerungsphasen kam es im Zuge unterschiedlicher Aktivit{\"a}ts- und Stabilit{\"a}tsphasen zu einer kontinuierlichen Progradation und {\"U}berpr{\"a}gung des Schwemmf{\"a}chers. Eine besonders aktive Phase kann zwischen 8 ka und 4 ka BP festgestellt werden, w{\"a}hrend der es aufgrund zunehmender fluvialer Aktivit{\"a}ten zu einer deutlich verst{\"a}rkten Schwemmf{\"a}cherdynamik gekommen zu sein scheint. In den Abschnitten davor und danach waren es vor allem {\"a}olische Prozesse, die zu einer {\"U}berpr{\"a}gung des Schwemmf{\"a}chers gef{\"u}hrt haben. Hinsichtlich der mineralogischen Herkunftssignale gibt es eine große Variabilit{\"a}t. Dies spiegelt die enorme Heterogenit{\"a}t der Geologie des Untersuchungsgebietes wider, wodurch die r{\"a}umlichen Signale nicht sehr stark ausgepr{\"a}gt sind. Dennoch, k{\"o}nnen f{\"u}r das Einzugsgebiet drei gr{\"o}ßere Bereiche deklariert werden, die als Herkunftsgebiet in Frage kommen. Das {\"o}stliche Qilian Shan Vorland zeichnet sich dabei durch deutlich h{\"o}here Chloritgehalte als prim{\"a}re Quelle f{\"u}r die Sedimente im Ejina-Becken aus. Sie unterscheiden sich insbesondere durch stark divergierende Chloritgehalte in der Tonmineral- und Gesamtmineralfraktion, was das {\"o}stliche Qilian Shan Vorland als prim{\"a}re Quelle f{\"u}r die Sedimente im Ejina-Becken auszeichnet. Dies steht in Zusammenhang mit den Gr{\"u}nschiefern, Ophioliten und Serpentiniten in diesem Bereich. Geochemisch deutet vor allem das Cr/Rb-Verh{\"a}ltnis eine große Variabilit{\"a}t innerhalb des Einzugsgebietes an. Auch hier ist es das {\"o}stliche Vorland, welches aufgrund seines hohen Anteils an mafischen Gesteinen reich an Chromiten und Spinellen ist und sich somit vom restlichen Untersuchungsgebiet abhebt. Die zeitliche aber auch die generelle Variabilit{\"a}t der Sedimentherkunft l{\"a}sst sich in den Bohrkernsedimenten nicht so deutlich nachzeichnen. Die mineralogisch-sedimentologischen Eigenschaften der erbohrten klastischen Sedimente zeugen zwar von zwischenzeitlichen {\"A}nderungen bei der Sedimentherkunft, diese sind jedoch nicht so deutlich ausgepr{\"a}gt, wie es die Quellsignale in den Oberfl{\"a}chensedimenten vermuten lassen. Ein Grund daf{\"u}r scheint die starke Vermischung unterschiedlichster Sedimente w{\"a}hrend des Transportes zu sein. Die Kombination der Korngr{\"o}ßenergebnisse mit den Befunden der Gesamt- und Schwermineralogie deuten darauf hin, dass es zwischenzeitlich eine Phase mit {\"u}berwiegend {\"a}olischen Prozessen gegeben hat, die mit einem Sedimenteintrag aus dem westlichen Bei Shan in Verbindung stehen. Neben der Zunahme ultrastabiler Schwerminerale wie Zirkon und Granat und der Abnahme opaker Schwerminerale, weisen vor allem die heutigen Verh{\"a}ltnisse darauf hin. Der Vergleich der traditionellen Schwermineralanalyse mit der Computer-Controlled-Scanning-Electron-Microscopy (kurz: CCSEM), die eine automatisierte Partikelauswertung der Proben erm{\"o}glicht, zeigt den deutlichen Vorteil der modernen Analysemethode. Neben einem zeitlichen Vorteil, den man durch die automatisierte Abarbeitung der vorbereiteten Proben erlangen kann, steht vor allem die deutlich gr{\"o}ßere statistische Signifikanz des Ergebnisses im Vordergrund. Zudem k{\"o}nnen mit dieser Methode auch chemische Variet{\"a}ten einiger Schwerminerale bestimmt werden, die eine noch feinere Klassifizierung und sicherere Aussagen zu einer m{\"o}glichen Sedimentherkunft erm{\"o}glichen. Damit ergeben sich außerdem verbesserte Aussagen zu Zusammensetzungen und Entstehungsprozessen der abgelagerten Sedimente. Die Studie verdeutlicht, dass die Sedimentherkunft innerhalb des Untersuchungsgebietes sowie die ablaufenden Prozesse zum Teil stark von lokalen Gegebenheiten abh{\"a}ngen. Die Heterogenit{\"a}t der Geologie und die Gr{\"o}ße des Einzugsgebietes sowie die daraus resultierende Komplexit{\"a}t der Sedimentgenese, machen exakte Zuordnungen zu klar definierten Sedimentquellen sehr schwer. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass die Sedimentzufuhr in das Ejina-Becken in erster Linie durch fluviale klastische Sedimente des Heihe aus dem Qilian Shan erfolgt sein muss. Die Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch ebenso die Notwendigkeit einer erg{\"a}nzenden Bearbeitung angrenzender Untersuchungsgebiete, wie beispielsweise den Gobi-Altai im Norden oder den Beishan im Westen, sowie die Verdichtung der Oberfl{\"a}chenbeprobung zur feineren Aufl{\"o}sung von lokalen Sedimentquellen.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{CruzLemus2020,
  author    = {Cruz Lemus, Saul Daniel},
  title     = {Enhancing Efficiency of Inverted Perovskite Solar Cells},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {117},
  year      = {2020},
  abstract  = {Carbon nitride and poly(ionic liquid)s (PILs) have been successfully applied in various fields of materials science owing to their outstanding properties. This thesis aims at the successful application of these polymers as innovative materials in the interfaces of hybrid organic-inorganic perovskite solar cells. A critical problem in harnessing the full thermodynamic potential of halide perovskites in solar cells is the design and modification of interfaces to reduce carrier recombination. Therefore, the interface must be properly studied and improved. This work investigated the effect of applying carbon nitride and PILs on a perovskite surface on the device performance. The facile synthetic method for modifying carbon nitride with vinyl thiazole and barbituric acid (CMB-vTA) yields 2.3 nm layers when solution processing is performed using isopropanol. The nanosheets were applied as a metal-free electron transport layer in inverted perovskite solar cells. The application of carbon nitride layers (CMB-vTA) resulted in negligible current-voltage hysteresis with a high open circuit voltage (Voc) of 1.1 V and a short-circuit current (Jsc) of 20.28 mA cm-2, which afforded efficiencies of up to 17\%. Thus, the successful implementation of a carbon nitride-based structure enabled good charge extraction with minimized interface recombination between the perovskite and PCBM. Similarly, PILs represent a new strategy of interfacial modification using an ionic polymer in an n-i-p perovskite architecture.. The application of PILs as an interfacial modifier resulted in solar cell devices with an extraordinarily high efficiency of 21.8\% and a Voc of 1.17 V. The implementation reduced non-radiative recombination at the perovskite surface through defect passivation. Finally, our work proposes a novel method to efficiently suppress non-radiative charge recombination using the unexplored properties of carbon nitride and PILs in the solar cell field. Additionally, the method for interfacial modification has general applicability because of the simplicity of the post-treatment approach, and therefore has potential applicability in other solar cells. Thus, this work opens the door to a new class of materials to be implemented.},
  language  = {en}
}