TY - JOUR A1 - Neffe, Axel T. A1 - Löwenberg, Candy A1 - Julich-Gruner, Konstanze K. A1 - Behl, Marc A1 - Lendlein, Andreas T1 - Thermally-induced shape-memory behavior of degradable gelatin-based networks JF - International journal of molecular sciences N2 - Shape-memory hydrogels (SMH) are multifunctional, actively-moving polymers of interest in biomedicine. In loosely crosslinked polymer networks, gelatin chains may form triple helices, which can act as temporary net points in SMH, depending on the presence of salts. Here, we show programming and initiation of the shape-memory effect of such networks based on a thermomechanical process compatible with the physiological environment. The SMH were synthesized by reaction of glycidylmethacrylated gelatin with oligo(ethylene glycol) (OEG) alpha,omega-dithiols of varying crosslinker length and amount. Triple helicalization of gelatin chains is shown directly by wide-angle X-ray scattering and indirectly via the mechanical behavior at different temperatures. The ability to form triple helices increased with the molar mass of the crosslinker. Hydrogels had storage moduli of 0.27-23 kPa and Young's moduli of 215-360 kPa at 4 degrees C. The hydrogels were hydrolytically degradable, with full degradation to water-soluble products within one week at 37 degrees C and pH = 7.4. A thermally-induced shape-memory effect is demonstrated in bending as well as in compression tests, in which shape recovery with excellent shape-recovery rates R-r close to 100% were observed. In the future, the material presented here could be applied, e.g., as self-anchoring devices mechanically resembling the extracellular matrix. KW - shape-memory hydrogel KW - active polymer KW - biopolymer KW - mechanical KW - properties KW - degradation Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/ijms22115892 SN - 1422-0067 SN - 1661-6596 VL - 22 IS - 11 PB - Molecular Diversity Preservation International CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Singh, Manudeo A1 - Sinha, Rajiv A1 - Mishra, Arjit A1 - Babu, Suresh T1 - Wetlandscape (dis)connectivity and fragmentation in a large wetland (Haiderpur) in west Ganga plains, India JF - Earth surface processes and landforms : the journal of the British Geomorphological Research Group N2 - Wetlands are dynamic ecosystems that require continuous monitoring and assessment of degradation status to design strategies for their sustainable management. While hydrology provides the primary functional control for the wetland ecosystem, the loss of landscape connectivity influences wetland degradation in a major way as it leads to fragmentation. This article aims to integrate hydrogeomorphic and ecological concepts for the assessment of degradation status and its causal factors for a large wetland in the western Ganga plains, India, the Haiderpur, using a wetlandscape approach. We have used a remote-sensing-based approach, which offers a powerful tool for assessing and linking cross-scale structures, functions, and controls in a wetlandscape. The Haiderpur, a Ramsar site since December 2021, is an artificial wetland located on the right bank of the Ganga River wherein the inflows are controlled by a barrage constructed on the Ganga River apart from smaller tributaries flowing in from the north. A novel aspect of this work is the integration of river dynamics and its connectivity to the wetlandscape to understand the spatiotemporal variability in the waterspread area in the wetland. In this work, we have developed an integrated wetlandscape assessment approach by evaluating wetland's geomorphic and hydrological connectivity status for the period 1993-2019 (25 years) across three different spatial scales - regional, catchment, and wetland. We have highlighted the ecological implications of connectivity and patch dynamics for developing sustainable wetland management plans. KW - floodplain wetlands KW - Ganga River KW - geomorphic connectivity KW - wetland KW - degradation KW - wetland hydrology Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/esp.5352 SN - 0197-9337 SN - 1096-9837 VL - 47 IS - 7 SP - 1872 EP - 1887 PB - Wiley CY - New York, NY [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Barkow, Isolde S. A1 - Oswald, Sascha Eric A1 - Lensing, Hermann Josef A1 - Munz, Matthias T1 - Seasonal dynamics modifies fate of oxygen, nitrate, and organic micropollutants during bank filtration BT - temperature-dependent reactive transport modeling of field data JF - Environmental science and pollution research : official organ of the EuCheMS Division for Chemistry and the Environment, EuCheMS DCE N2 - Bank filtration is considered to improve water quality through microbially mediated degradation of pollutants and is suitable for waterworks to increase their production. In particular, aquifer temperatures and oxygen supply have a great impact on many microbial processes. To investigate the temporal and spatial behavior of selected organic micropollutants during bank filtration in dependence of relevant biogeochemical conditions, we have set up a 2D reactive transport model using MODFLOW and PHT3D under the user interface ORTI3D. The considered 160-m-long transect ranges from the surface water to a groundwater extraction well of the adjacent waterworks. For this purpose, water levels, temperatures, and chemical parameters were regularly measured in the surface water and groundwater observation wells over one and a half years. To simulate the effect of seasonal temperature variations on microbial mediated degradation, we applied an empirical temperature factor, which yields a strong reduction of the degradation rate at groundwater temperatures below 11 degrees C. Except for acesulfame, the considered organic micropollutants are substantially degraded along their subsurface flow paths with maximum degradation rates in the range of 10(-6) mol L-1 s(-1). Preferential biodegradation of phenazone, diclofenac, and valsartan was found under oxic conditions, whereas carbamazepine and sulfamethoxazole were degraded under anoxic conditions. This study highlights the influence of seasonal variations in oxygen supply and temperature on the fate of organic micropollutants in surface water infiltrating into an aquifer. KW - bank filtration KW - aerobic and anaerobic conditions KW - pharmaceuticals and KW - personal care products KW - reactive transport modeling KW - degradation Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1007/s11356-020-11002-9 SN - 0944-1344 SN - 1614-7499 VL - 28 IS - 8 SP - 9682 EP - 9700 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - THES A1 - Saretia, Shivam T1 - Modulating ultrathin films of semi-crystalline oligomers by Langmuir technique T1 - Modulation ultradünner Filme aus semikristalliner Oligomere durch Langmuir-Technik N2 - Polymeric films and coatings derived from semi-crystalline oligomers are of relevance for medical and pharmaceutical applications. In this context, the material surface is of particular importance, as it mediates the interaction with the biological system. Two dimensional (2D) systems and ultrathin films are used to model this interface. However, conventional techniques for their preparation, such as spin coating or dip coating, have disadvantages, since the morphology and chain packing of the generated films can only be controlled to a limited extent and adsorption on the substrate used affects the behavior of the films. Detaching and transferring the films prepared by such techniques requires additional sacrificial or supporting layers, and free-standing or self supporting domains are usually of very limited lateral extension. The aim of this thesis is to study and modulate crystallization, melting, degradation and chemical reactions in ultrathin films of oligo(ε-caprolactone)s (OCL)s with different end-groups under ambient conditions. Here, oligomeric ultrathin films are assembled at the air-water interface using the Langmuir technique. The water surface allows lateral movement and aggregation of the oligomers, which, unlike solid substrates, enables dynamic physical and chemical interaction of the molecules. Parameters like surface pressure (π), temperature and mean molecular area (MMA) allow controlled assembly and manipulation of oligomer molecules when using the Langmuir technique. The π-MMA isotherms, Brewster angle microscopy (BAM), and interfacial infrared spectroscopy assist in detecting morphological and physicochemical changes in the film. Ultrathin films can be easily transferred to the solid silicon surface via Langmuir Schaefer (LS) method (horizontal substrate dipping). Here, the films transferred on silicon are investigated using atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy and are compared to the films on the water surface. The semi-crystalline morphology (lamellar thicknesses, crystal number densities, and lateral crystal dimensions) is tuned by the chemical structure of the OCL end-groups (hydroxy or methacrylate) and by the crystallization temperature (Tc; 12 or 21 °C) or MMAs. Compression to lower MMA of ~2 Å2, results in the formation of a highly crystalline film, which consists of tightly packed single crystals. Preparation of tightly packed single crystals on a cm2 scale is not possible by conventional techniques. Upon transfer to a solid surface, these films retain their crystalline morphology whereas amorphous films undergo dewetting. The melting temperature (Tm) of OCL single crystals at the water and the solid surface is found proportional to the inverse crystal thickness and is generally lower than the Tm of bulk PCL. The impact of OCL end-groups on melting behavior is most noticeable at the air-solid interface, where the methacrylate end-capped OCL (OCDME) melted at lower temperatures than the hydroxy end-capped OCL (OCDOL). When comparing the underlying substrate, melting/recrystallization of OCL ultrathin films is possible at lower temperatures at the air water interface than at the air-solid interface, where recrystallization is not visible. Recrystallization at the air-water interface usually occurs at a higher temperature than the initial Tc. Controlled degradation is crucial for the predictable performance of degradable polymeric biomaterials. Degradation of ultrathin films is carried out under acidic (pH ~ 1) or enzymatic catalysis (lipase from Pseudomonas cepcia) on the water surface or on a silicon surface as transferred films. A high crystallinity strongly reduces the hydrolytic but not the enzymatic degradation rate. As an influence of end-groups, the methacrylate end-capped linear oligomer, OCDME (~85 ± 2 % end-group functionalization) hydrolytically degrades faster than the hydroxy end capped linear oligomer, OCDOL (~95 ± 3 % end-group functionalization) at different temperatures. Differences in the acceleration of hydrolytic degradation of semi-crystalline films were observed upon complete melting, partial melting of the crystals, or by heating to temperatures close to Tm. Therefore, films of densely packed single crystals are suitable as barrier layers with thermally switchable degradation rates. Chemical modification in ultrathin films is an intricate process applicable to connect functionalized molecules, impart stability or create stimuli-sensitive cross-links. The reaction of end-groups is explored for transferred single crystals on a solid surface or amorphous monolayer at the air-water interface. Bulky methacrylate end-groups are expelled to the crystal surface during chain-folded crystallization. The density of end-groups is inversely proportional to molecular weight and hence very pronounced for oligomers. The methacrylate end-groups at the crystal surface, which are present at high concentration, can be used for further chemical functionalization. This is demonstrated by fluorescence microscopy after reaction with fluorescein dimethacrylate. The thermoswitching behavior (melting and recrystallization) of fluorescein functionalized single crystals shows the temperature-dependent distribution of the chemically linked fluorescein moieties, which are accumulated on the surfaces of crystals, and homogeneously dispersed when the crystals are molten. In amorphous monolayers at the air-water interface, reversible cross-linking of hydroxy-terminated oligo(ε-caprolactone) monolayers using dialdehyde (glyoxal) lead to the formation of 2D networks. Pronounced contraction in the area occurred for 2D OCL films in dependence of surface pressure and time indicating the reaction progress. Cross linking inhibited crystallization and retarded enzymatic degradation of the OCL film. Altering the subphase pH to ~2 led to cleavage of the covalent acetal cross-links. Besides as model systems, these reversibly cross-linked films are applicable for drug delivery systems or cell substrates modulating adhesion at biointerfaces. N2 - Ultradünne Filme/Beschichtungen aus semikristallinen oligomeren Makromolekülen sind für medizinische und pharmazeutische Anwendungen von Bedeutung. Dabei kommt der Materialoberfläche eine besondere Bedeutung zu, da diese die Interaktion mit dem umgebenden biologischen System ermöglicht. Zur Modellierung der Oberfläche werden 2D Systeme und ultradünne Filme verwendet. Herkömmlichen Techniken zu deren Präparation wie Spin-Coating oder Dip-Coating haben jedoch Nachteile, da sich die Morphologie und Kettenpackung der erzeugten Filme nur sehr bedingt kontrollieren lässt und sich die Adsorption auf dem verwendeten Substrat auf das Verhalten der Filme auswirkt. Zum Ablösen oder Übertragen der mit Hilfe dieser Techniken hergestellten Filme sind zusätzliche Opfer- oder Transferschichten erforderlich. Zudem können mit diesen Methoden nur freistehende oder selbsttragende Filme von sehr geringer lateraler Ausdehnung hergestellt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Kristallisation, Schmelzen, Abbau und chemische Reaktionen in ultradünnen Filmen von Oligo(ε-caprolacton)en (OCL)s mit unterschiedlichen Endgruppen unter Umgebungsbedingungen zu untersuchen und zu kontrollieren. Dazu wurden ultradünne Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche mit der Langmuir-Technik erzeugt. Die Wasseroberfläche erlaubt eine ungestörte Bewegung und Aggregation der Oligomere, was, im Gegensatz zu festen Substraten, dynamische physikalische und chemische Interaktion der Moleküle miteinander ermöglicht. Die Langmuir-Technik erlaubt mit Hilfe von Parametern wie Temperatur, Oberflächendruck (π) und Fläche pro Wiederholheinheit eine kontrollierte Manipulation der Oligomere. Kompressionsiothermen, Brewster-Winkelmikroskopie und Grenzflächen-Infrarotspektroskopie halfen beim Nachweis morphologischer und physikalisch-chemischer Veränderungen im Film. Die ultradünnen Filme wurden über das Langmuir-Schäfer-Verfahren (Kontakt mit Substrat in paralleler Orientierung zur Grenzfläche) auf Siliziumsubstrate übertragen. Danach wurden die übertragenen Filme mittels AFM und optischer Mikroskopie untersucht und mit Filmen an der Wasseroberfläche verglichen. Die teilkristalline Morphologie (Lamellendicke, Kristallzahldichte und laterale Dimension der Kristalle) von Polymerfilmen kann durch die chemische Struktur der OCL-Endgruppen (Hydroxy oder Methacrylat) und durch die Kristallisationstemperatur (Tc; 12 oder 21 °C) oder die Fläche pro Wiederholeinheit beeinflusst werden. Die Kompression auf eine sehr kleine Fläche pro Wiederholeinheit von ~2 Å2 führt zur Bildung eines hochkristallinen Films, der aus dicht gepackten Einkristallen besteht. Eine Synthese von derartigen Filmen im cm2 Maßstab ist mit herkömmlichen Techniken nicht möglich. Nach Übertragung auf eine feste Oberfläche behielten die teilkristallinen Filme ihre Morphologie, während amorphe Filme das für Polymere charakteristische Entnetzungsverhalten aufwiesen. Die Schmelztemperaturen (Tm) von OCL-Einkristallen an der Wasser- und Festkörperoberfläche waren proportional zur inversen Kristalldicke und im Allgemeinen niedriger als die Tm von PCL im Festkörper. Der Einfluss der OCL-Endgruppen auf das Schmelzverhalten war an der Luft-Feststoff-Grenzfläche am deutlichsten, wo OCL mit Methacrylat-Endgruppen bei niedrigeren Temperaturen schmolz als OCL mit Hydroxyl-Endgruppen. Das Schmelzen/Rekristallisieren ultradünner OCL-Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche erfolgte bei niedrigeren Temperaturen als an der Luft-Feststoff-Grenzfläche, wo keine Rekristallisation beobachtet wurde. Die Rekristallisation geschmolzener Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche erfolgte normalerweise bei einer höheren Temperatur als der anfänglichen Tc. Der kontrollierte Abbau ist entscheidend für die Performance von abbaubaren Polymeren als Biomaterialien. Der Abbau ultradünner Filme erfolgte hydrolytisch entweder unter saurer (pH ~ 1) oder enzymatischer Katalyse (Lipase aus Pseudomonas cepcia) auf der Wasseroberfläche oder als übertragene Filme auf Siliziumoberflächen. Eine hohe Kristallinität reduzierte die hydrolytische Abbaurate stark, aber die enzymatische dagegen wenig. Das lineare Oligomer mit Methacrylat Endgruppen (~85 ± 2 % Endgruppenfunktionalisierung) wurde bei unterschiedlichen Temperaturen schneller hydrolytisch abgebaut als das lineare Oligomer mit Hydroxyl Endgruppen (~95 ± 3 % Endgruppenfunktionalisierung). Unterschiede in der Beschleunigung des hydrolytischen Abbaus von teilkristallinen Filmen wurden beim vollständigen Schmelzen, teilweisen Schmelzen der Kristalle, oder durch erwärmen in die Nähe von Tm beobachtet. Daher eignen sich Filme aus dicht gepackten Einkristallen als Barriereschichten mit thermisch schaltbarer Degradationsrate. Chemische Reaktionen in ultradünnen Filmen können angewandt werden, um funktionalisierte Moleküle zu verbinden und ihnen Stabilität zu verleihen oder Stimuli-sensitive Vernetzungen zu erzeugen. Hier wurden die Reaktionen der Endgruppen transferierter Einkristalle auf festen Oberflächen und amorphen Monoschichten an der Luft-Wasser-Grenzfläche untersucht. Da die Kettenenden defekte in den Einkristallen darstellen würden, werden sie bei der Kristallisation an der Kristalloberfläche angeordnet. Die Dichte der Endgruppen ist umgekehrt proportional zum Molekulargewicht und daher bei Oligomeren besonders hoch. Hier wurden mit Methacrylatendgruppen versehene OCL Moleküle verwendet. Diese Gruppen können chemisch weiter umgesetzt und für eine Funktionalisierung der Kirstalle verwendet werden. Dies wurde fluoreszenz-mikroskopisch nach der Reaktion mit Fluoresceindimethacrylat nachgewiesen. Das thermische Schalten (Schmelzen und Umkristallisieren) von Fluorescein-funktionalisierten Einkristallen erzeugt eine temperaturabhängige Verteilung der chemisch verknüpften Fluorescein-Einheiten, die sich auf den Oberflächen der Kristalle ansammeln und beim Schmelzen der Kristalle homogen dispergiert werden. In amorphen Monoschichten an der Luft-Wasser-Grenzfläche führt die reversible Vernetzung von Hydroxy-terminierten Oligo(ε-caprolacton) Monoschichten unter Verwendung eines Dialdehyds (Glyoxal) zur Bildung von zweidimensionalen (2D) Netzwerken. Bei 2D-OCL-Filmen trat eine ausgeprägte Kontraktion der Fläche in Abhängigkeit von Oberflächendruck und Zeit auf, was den Fortschritt der Reaktion anzeigte. Die Vernetzung hemmte die Kristallisation und verzögerte den enzymatischen Abbau des OCL-Films. Eine Änderung des pH-Wertes der Subphase auf ~2 führte zur Spaltung der kovalenten Acetalvernetzungen. Außer als Modellsysteme wäre der Einsatz dieser reversibel vernetzten Filme für den Einsatz als Drug-Delivery-Systeme oder als Oberflächen zur Steuerung der Adhäsion von Zellen möglich. KW - polymer KW - poly(ε-caprolactone) KW - 2D material KW - ultrathin film KW - single crystals KW - crystallization KW - melting KW - degradation KW - hydrolysis KW - reactions KW - substrate KW - end-groups KW - hydroxy KW - methacrylate KW - Polymer KW - Poly(ε-caprolacton) KW - 2D-Material KW - Beschichtungen KW - Ultradünne Filme KW - Einkristalle KW - Kristallisation KW - Schmelz KW - Abbau KW - Hydrolyse KW - Reaktion KW - Substrat KW - Hydroxyl KW - Methacrylat Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-542108 ER - TY - GEN A1 - Lara, Mark J. A1 - Nitze, Ingmar A1 - Große, Guido A1 - McGuire, David T1 - Tundra landform and vegetation productivity trend maps for the Arctic Coastal Plain of northern Alaska T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Arctic tundra landscapes are composed of a complex mosaic of patterned ground features, varying in soil moisture, vegetation composition, and surface hydrology over small spatial scales (10-100 m). The importance of microtopography and associated geomorphic landforms in influencing ecosystem structure and function is well founded, however, spatial data products describing local to regional scale distribution of patterned ground or polygonal tundra geomorphology are largely unavailable. Thus, our understanding of local impacts on regional scale processes (e.g., carbon dynamics) may be limited. We produced two key spatiotemporal datasets spanning the Arctic Coastal Plain of northern Alaska (similar to 60,000 km(2)) to evaluate climate-geomorphological controls on arctic tundra productivity change, using (1) a novel 30m classification of polygonal tundra geomorphology and (2) decadal-trends in surface greenness using the Landsat archive (1999-2014). These datasets can be easily integrated and adapted in an array of local to regional applications such as (1) upscaling plot-level measurements (e.g., carbon/energy fluxes), (2) mapping of soils, vegetation, or permafrost, and/or (3) initializing ecosystem biogeochemistry, hydrology, and/or habitat modeling. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1035 KW - spatial-distribution KW - lake basins KW - microtopography KW - water KW - ice KW - accumulation KW - degradation KW - permafrost KW - dynamics KW - barrow Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459875 SN - 1866-8372 IS - 1035 ER - TY - GEN A1 - Lara, Mark J. A1 - Nitze, Ingmar A1 - Grosse, Guido A1 - Martin, Philip A1 - McGuire, A. David T1 - Reduced arctic tundra productivity linked with landform and climate change interactions T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Arctic tundra ecosystems have experienced unprecedented change associated with climate warming over recent decades. Across the Pan-Arctic, vegetation productivity and surface greenness have trended positively over the period of satellite observation. However, since 2011 these trends have slowed considerably, showing signs of browning in many regions. It is unclear what factors are driving this change and which regions/landforms will be most sensitive to future browning. Here we provide evidence linking decadal patterns in arctic greening and browning with regional climate change and local permafrost-driven landscape heterogeneity. We analyzed the spatial variability of decadal-scale trends in surface greenness across the Arctic Coastal Plain of northern Alaska (similar to 60,000 km(2)) using the Landsat archive (1999-2014), in combination with novel 30 m classifications of polygonal tundra and regional watersheds, finding landscape heterogeneity and regional climate change to be the most important factors controlling historical greenness trends. Browning was linked to increased temperature and precipitation, with the exception of young landforms (developed following lake drainage), which will likely continue to green. Spatiotemporal model forecasting suggests carbon uptake potential to be reduced in response to warmer and/or wetter climatic conditions, potentially increasing the net loss of carbon to the atmosphere, at a greater degree than previously expected. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 550 KW - winter warming events KW - permafrost KW - Alaska KW - trends KW - ice KW - CO2 KW - degradation KW - landscapes KW - ecosystem KW - exchange Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423132 SN - 1866-8372 IS - 550 ER - TY - THES A1 - Morling, Karoline T1 - Import and decomposition of dissolved organic carbon in pre-dams of drinking water reservoirs T1 - Eintrag und Abbau von gelösten Kohlenstoffen in Vorsperren von Trinkwassertalsperren N2 - Dissolved organic carbon (DOC) depicts a key component in the aquatic carbon cycle as well as for drinking water production from surface waters. DOC concentrations increased in water bodies of the northern hemisphere in the last decades, posing ecological consequences and water quality problems. Within the pelagic zone of lakes and reservoirs, the DOC pool is greatly affected by biological activity as DOC is simultaneously produced and decomposed. This thesis aimed for a conceptual understanding of organic carbon cycling and DOC quality changes under differing hydrological and trophic conditions. Further, the occurrence of aquatic priming was investigated, which has been proposed as a potential process facilitating the microbial decomposition of stable allochthonous DOC within the pelagic zone. To study organic carbon cycling under different hydrological conditions, quantitative and qualitative investigations were carried out in three pre-dams of drinking water reservoirs exhibiting a gradient in DOC concentrations and trophic states. All pre-dams were mainly autotrophic in their epilimnia. Discharge and temperature were identified as the key factors regulating net production and respiration in the upper water layers of the pre-dams. Considerable high autochthonous production was observed during the summer season under higher trophic status and base flow conditions. Up to 30% of the total gained organic carbon was produced within the epilimnia. Consequently, this affected the DOC quality within the pre-dams over the year and enhanced characteristics of algae-derived DOC were observed during base flow in summer. Allochthonous derived DOC dominated at high discharges and oligotrophic conditions when production and respiration were low. These results underline that also small impoundments with typically low water residence times are hotspots of carbon cycling, significantly altering water quality in dependence of discharge conditions, temperature and trophic status. Further, it highlights that these factors need to be considered in future water management as increasing temperatures and altered precipitation patterns are predicted in the context of climate change. Under base flow conditions, heterotrophic bacteria preferentially utilized older DOC components with a conventional radiocarbon age of 195-395 years before present (i.e. before 1950). In contrast, younger carbon components (modern, i.e. produced after 1950) were mineralized following a storm flow event. This highlights that age and recalcitrance of DOC are independent from each other. To assess the ages of the microbially consumed DOC, a simplified method was developed to recover the respired CO2 from heterotrophic bacterioplankton for carbon isotope analyses (13C, 14C). The advantages of the method comprise the operation of replicate incubations at in-situ temperatures using standard laboratory equipment and thus enabling an application in a broad range of conditions. Aquatic priming was investigated in laboratory experiments during the microbial decomposition of two terrestrial DOC substrates (peat water and soil leachate). Thereby, natural phytoplankton served as a source of labile organic matter and the total DOC pool increased throughout the experiments due to exudation and cell lysis of the growing phytoplankton. A priming effect for both terrestrial DOC substrates was revealed via carbon isotope analysis and mixing models. Thereby, priming was more pronounced for the peat water than for the soil leachate. This indicates that the DOC source and the amount of the added labile organic matter might influence the magnitude of a priming effect. Additional analysis via high-resolution mass spectrometry revealed that oxidized, unsaturated compounds were more strongly decomposed under priming (i.e. in phytoplankton presence). Given the observed increase in DOC concentrations during the experiments, it can be concluded that aquatic priming is not easily detectable via net concentration changes alone and could be considered as a qualitative effect. The knowledge gained from this thesis contributes to the understanding of aquatic carbon cycling and demonstrated how DOC dynamics in freshwaters vary with hydrological, seasonal and trophic conditions. It further demonstrated that aquatic priming contributes to the microbial transformation of organic carbon and the observed decay of allochthonous DOC during transport in inland waters. N2 - Gelöster organischer Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC) bildet nicht nur eine zentrale Komponente des aquatischen Kohlenstoffkreislaufs, sondern auch für die Gewinnung von Trinkwasser aus Oberflächengewässern. In den letzten Jahrzehnten stiegen die DOC-Konzentrationen in Gewässern der nördlichen Hemisphäre an und führen sowohl zu ökologischen Konsequenzen als auch zu Wasserqualitätsproblemen. Die Zusammensetzung des DOC im Pelagial von Seen und Talsperren wird erheblich durch biologische Aktivität beeinflusst, da DOC-Verbindungen gleichzeitig produziert und abgebaut werden. Im Fokus meiner Dissertation standen ein konzeptionelles Verständnis des organischen Kohlenstoffkreislaufs und die damit verbundenen Änderungen in der DOC-Qualität unter verschiedenen hydrologischen und trophischen Bedingungen. Weiterhin wurde das Auftreten eines aquatischen Priming-Effektes untersucht, welcher den mikrobiellen Abbau von stabilem allochthonem DOC im Pelagial fördern könnte. Quantitative und qualitative Untersuchungen wurden unter verschiedenen hydrologischen Bedingungen in drei Vorsperren von Trinkwassertalsperren durchgeführt, die einen Gradienten an DOC-Konzentrationen und Trophie aufwiesen. Alle Vorsperren waren im Epilimnion überwiegend autotroph. Abfluss und Temperatur wurden als Schlüsselfaktoren identifiziert, die Produktion und Respiration in den oberen Wasserschichten der Vorsperren regulieren. Eine vergleichsweise hohe autotrophe Produktion wurde während der Sommer-monate bei hoher Trophie und Basisabfluss beobachtet. Bis zu 30% des gesamten eingetragenen organischen Kohlenstoffes wurde im Epilimnion produziert. Dies beeinflusste die DOC-Qualität in den Vorsperren erheblich und es traten vermehrt Charakteristiken von algenbürtigem DOC unter Basisabfluss in den Sommermonaten auf. Allochthoner DOC dominierte bei hohen Abflüssen und unter oligotrophen Bedingungen, wenn Produktion und Respiration gering waren. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass auch kleine Speicherbecken mit typischerweise kurzen Wasser-aufenthaltszeiten „Hotspots“ für Kohlenstoffumsetzung sind und die Wasserqualität signifikant in Abhängigkeit von Abflussbedingungen, Temperatur und Trophie verändern. Diese Faktoren sind auch für zukünftiges Wassermanagement bedeutsam, da steigende Temperaturen und veränderte Niederschläge im Zuge des Klimawandels prognostiziert werden. Unter Basisabfluss verwerteten heterotrophe Bakterien vorrangig ältere DOC-Komponenten mit einem konventionellen Radiokarbonalter von 195-395 Jahren B.P. („before present“, d. h. vor 1950). Im Gegensatz dazu wurden jüngere DOC-Komponenten (modern, d. h. nach 1950 produziert) nach einem Regenwetterzufluss abgebaut. Daraus lässt sich schließen, dass Alter und mikrobielle Verwertbarkeit des DOC voneinander unabhängig sind. Um das Alter des genutzten DOC zu bestimmen, wurde eine vereinfachte Methode entwickelt, die das Auffangen des bakteriell respirierten CO2 und eine anschließende Analyse der Kohlenstoffisotope (13C, 14C) ermöglicht. Die Vorteile der Methode liegen vor allem in der Verwendung von Replikaten, die bei in-situ Temperaturen inkubiert werden können und in der Nutzung von gängiger Laborausstattung. Dies ermöglicht eine Anwendung der Methode unter einer weiten Bandbreite von Bedingungen. Der aquatische Priming-Effekt wurde in Laborexperimenten während des mikrobiellen Abbaus von zwei terrestrischen DOC-Substraten (Moorwasser und Bodeneluat) untersucht. Phytoplankton diente als Quelle für labile organische Substanz und die DOC-Konzentrationen nahmen durch Exudation und Zelllysis des wachsenden Phytoplanktons während des Experimentes zu. Ein Priming-Effekt wurde für beide terrestrischen DOC-Substrate mittels Analyse von Kohlenstoffisotopen und Mischungsmodellen nachgewiesen, wobei der Priming-Effekt für das Moorwasser stärker ausgeprägt war als für das Bodeneluat. Analysen mittels hochauflösender Massenspektrometrie zeigten, dass verstärkt oxidierte und ungesättigte Verbindungen während des Primings (d. h. in Anwesenheit von Phytoplankton) abgebaut wurden. Aus den angestiegenen DOC-Konzentrationen während des Experimentes kann geschlussfolgert werden, dass ein aquatischer Priming-Effekt nicht allein über Konzentrationsänderungen nachweisbar ist und vielmehr als ein qualitativer Effekt betrachtet werden kann. Diese Arbeit trägt zum Verständnis des aquatischen Kohlenstoffkreislaufs bei und zeigt wie DOC-Dynamiken in Süßgewässern mit hydrologischen, saisonalen und trophischen Bedingungen variieren. Weiterhin wurde gezeigt, dass der aquatische Priming-Effekt zu dem mikrobiellen Umsatz von organischem Kohlenstoff und dem beobachteten Abbau von terrestrischen DOC während des Transportes in Binnengewässern beiträgt. KW - organic carbon KW - water reservoir KW - freshwater ecosystems KW - carbon isotopes KW - degradation KW - radiocarbon KW - autotrophy KW - net production KW - organic matter quality KW - high resolution mass spectrometry KW - microbial decomposition KW - organischer Kohlenstoff KW - Talsperre KW - Kohlenstoffisotope KW - Radiokarbon KW - Autotrophie KW - Nettoproduktion KW - organisches Material KW - hochauflösende Massenspektrometrie KW - mikrobieller Abbau KW - gelöster organischer Kohlenstoff Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-399110 ER - TY - JOUR A1 - Salert, Beatrice Ch. D. A1 - Krueger, Hartmut A1 - Bagnich, Sergey A. A1 - Unger, Thomas A1 - Jaiser, Frank A1 - Al-Sa'di, Mahmoud A1 - Neher, Dieter A1 - Hayer, Anna A1 - Eberle, Thomas T1 - New polymer matrix system for phosphorescent organic light-emitting diodes and the role of the small molecular co-host JF - Journal of polymer science : A, Polymer chemistry N2 - A new matrix system for phosphorescent organic light-emitting diodes (OLEDs) based on an electron transporting component attached to an inert polymer backbone, an electronically neutral co-host, and a phosphorescent dye that serves as both emitter and hole conductor are presented. The inert co-host is used either as small molecules or covalently connected to the same chain as the electron-transporting host. The use of a small molecular inert co-host in the active layer is shown to be highly advantageous in comparison to a purely polymeric matrix bearing the same functionalities. Analysis of the dye phosphorescence decay in pure polymer, small molecular co-host film, and their blend lets to conclude that dye molecules distribute mostly in the small molecular co-host phase, where the co-host prevents agglomeration and self-quenching of the phosphorescence as well as energy transfer to the electron transporting units. In addition, the co-host accumulates at the anode interface where it acts as electron blocking layer and improves hole injection. This favorable phase separation between polymeric and small molecular components results in devices with efficiencies of about 47 cd/A at a luminance of 1000 cd/m(2). Investigation of OLED degradation demonstrates the presence of two time regimes: one fast component that leads to a strong decrease at short times followed by a slower decrease at longer times. Unlike the long time degradation, the efficiency loss that occurs at short times is reversible and can be recovered by annealing of the device at 180 degrees C. We also show that the long-time degradation must be related to a change of the optical and electrical bulk properties. KW - charge transport KW - conducting polymer KW - degradation KW - host-guest systems KW - light-emitting diodes KW - random copolymer KW - synthesis KW - UV-vis spectroscopy Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1002/pola.26409 SN - 0887-624X VL - 51 IS - 3 SP - 601 EP - 613 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - GEN A1 - Ermeydan, Mahmut Ali A1 - Cabane, Etienne A1 - Hass, Philipp A1 - Koetz, Joachim A1 - Burgert, Ingo T1 - Fully biodegradable modification of wood for improvement of dimensional stability and water absorption properties by poly(ε-caprolactone) grafting into the cell walls N2 - Materials derived from renewable resources are highly desirable in view of more sustainable manufacturing. Among the available natural materials, wood is one of the key candidates, because of its excellent mechanical properties. However, wood and wood-based materials in engineering applications suffer from various restraints, such as dimensional instability upon humidity changes. Several wood modification treatments increase water repellence, but the insertion of hydrophobic polymers can result in a composite material which cannot be considered as renewable anymore. In this study, we report on the grafting of the fully biodegradable poly(ε-caprolactone) (PCL) inside the wood cell walls by Sn(Oct)2 catalysed ring-opening polymerization (ROP). The presence of polyester chains within the wood cell wall structure is monitored by confocal Raman imaging and spectroscopy as well as scanning electron microscopy. Physical tests reveal that the modified wood is more hydrophobic due to the bulking of the cell wall structure with the polyester chains, which results in a novel fully biodegradable wood material with improved dimensional stability. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 270 KW - ring-opening polymerization KW - confocal raman microscopy KW - epsilon-caprolactone KW - mechanical-properties KW - structural-characterization KW - stannous octoate KW - copolymers KW - degradation KW - composites KW - cellulose Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97265 SP - 3313 EP - 3321 ER - TY - THES A1 - Tronci, Giuseppe T1 - Synthesis, characterization, and biological evaluation of gelatin-based scaffolds T1 - Synthese, Charakterisierung und biologische Evaluierung Gelatine-basierter Scaffolds N2 - This work presents the development of entropy-elastic gelatin based networks in the form of films or scaffolds. The materials have good prospects for biomedical applications, especially in the context of bone regeneration. Entropy-elastic gelatin based hydrogel films with varying crosslinking densities were prepared with tailored mechanical properties. Gelatin was covalently crosslinked above its sol gel transition, which suppressed the gelatin chain helicity. Hexamethylene diisocyanate (HDI) or ethyl ester lysine diisocyanate (LDI) were applied as chemical crosslinkers, and the reaction was conducted either in dimethyl sulfoxide (DMSO) or water. Amorphous films were prepared as measured by Wide Angle X-ray Scattering (WAXS), with tailorable degrees of swelling (Q: 300-800 vol. %) and wet state Young’s modulus (E: 70 740 kPa). Model reactions showed that the crosslinking reaction resulted in a combination of direct crosslinks (3-13 mol.-%), grafting (5-40 mol.-%), and blending of oligoureas (16-67 mol.-%). The knowledge gained with this bulk material was transferred to the integrated process of foaming and crosslinking to obtain porous 3-D gelatin-based scaffolds. For this purpose, a gelatin solution was foamed in the presence of a surfactant, Saponin, and the resulting foam was fixed by chemical crosslinking with a diisocyanate. The amorphous crosslinked scaffolds were synthesized with varied gelatin and HDI concentrations, and analyzed in the dry state by micro computed tomography (µCT, porosity: 65±11–73±14 vol.-%), and scanning electron microscopy (SEM, pore size: 117±28–166±32 µm). Subsequently, the work focused on the characterization of the gelatin scaffolds in conditions relevant to biomedical applications. Scaffolds showed high water uptake (H: 630-1680 wt.-%) with minimal changes in outer dimension. Since a decreased scaffold pore size (115±47–130±49 µm) was revealed using confocal laser scanning microscopy (CLSM) upon wetting, the form stability could be explained. Shape recoverability was observed after removal of stress when compressing wet scaffolds, while dry scaffolds maintained the compressed shape. This was explained by a reduction of the glass transition temperature upon equilibration with water (dynamic mechanical analysis at varied temperature (DMTA)). The composition dependent compression moduli (Ec: 10 50 kPa) were comparable to the bulk micromechanical Young’s moduli, which were measured by atomic force microscopy (AFM). The hydrolytic degradation profile could be adjusted, and a controlled decrease of mechanical properties was observed. Partially-degraded scaffolds displayed an increase of pore size. This was likely due to the pore wall disintegration during degradation, which caused the pores to merge. The scaffold cytotoxicity and immunologic responses were analyzed. The porous scaffolds enabled proliferation of human dermal fibroblasts within the implants (up to 90 µm depth). Furthermore, indirect eluate tests were carried out with L929 cells to quantify the material cytotoxic response. Here, the effect of the sterilization method (Ethylene oxide sterilization), crosslinker, and surfactant were analyzed. Fully cytocompatible scaffolds were obtained by using LDI as crosslinker and PEO40 PPO20-PEO40 as surfactant. These investigations were accompanied by a study of the endotoxin material contamination. The formation of medical-grade materials was successfully obtained (<0.5 EU/mL) by using low-endotoxin gelatin and performing all synthetic steps in a laminar flow hood. N2 - Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung Entropie-elastischer Gelatine-basierter Netzwerke als Filme und Scaffolds. Mögliche Anwendungen für die entwickelten Materialien liegen im biomedizinischen Bereich, insbesondere der Knochenregeneration. Im ersten Schritt der Arbeit wurden Entropie-elastische, Gelatine-basierte Hydrogel-Filme entwickelt, deren mechanische Eigenschaften durch die Veränderung der Quervernetzungsdichte eingestellt werden konnten. Dazu wurde Gelatine in Lösung oberhalb der Gel-Sol-Übergangstemperatur kovalent quervernetzt, wodurch die Ausbildung helikaler Konformationen unterdrückt wurde. Als Quervernetzer wurden Hexamethylendiisocyanat (HDI) oder Lysindiisocyanat ethylester (LDI) verwendet, und die Reaktionen wurden in Dimethylsulfoxid (DMSO) oder Wasser durchgeführt. Weitwinkel Röntgenstreuungs Spektroskopie (WAXS) zeigte, dass die Netzwerke amorph waren. Der Quellungsgrad (Q: 300-800 vol. %) und der Elastizitätsmodul (E: 70 740 kPa) konnten dabei durch die systematische Veränderung der Quervernetzungsdichte eingestellt werden. Die Analyse der Quervernetzungsreaktion durch Modellreaktionen zeigte, dass die Stabilisierung der Hydrogele sowohl auf kovalente Quervernetzungen (3-13 mol.-%) als auch auf Grafting von (5-40 mol.-%) und Verblendung mit Oligoharnstoffen (16-67 mol.-%) zurückgeführt werden kann. Die Erkenntnisse aus dem Umgang mit dem Bulk-Material wurden dann auf einen integrierten Prozess der Verschäumung und chemischen Quervernetzung transferiert, so dass poröse, dreidimensionale Scaffolds erhalten wurden. Dafür wurde eine wässrige Gelatinelösung in Gegenwart eines Tensids, Saponin, verschäumt, und durch chemische Quervernetzung mit einem Diisocyanat zu einem Scaffold fixiert. Die Scaffolds hergestellt mit unterschiedlichen Mengen HDI und Gelatine, wurden im trockenen Zustand mittels Mikro Computertomographie (µCT, Porosität: 65±11–73±14 vol.-%) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM, Porengröße: 117±28–166±32) charakterisiert. Anschließend wurden die Scaffolds unter Bedingungen charakterisiert, die für biomedizinische Anwendungen relevant sind. Die Scaffolds nahmen große Mengen Wasser auf (H: 630 1680 wt.-%) bei nur minimalen Änderungen der äußeren Dimensionen. Konfokale Laser Scanning Mikroskopie zeigte, dass die Wasseraufnahme zu einer verminderten Porengröße führte (115±47–130±49 µm), wodurch die Formstabilität erklärbar ist. Eine Formrückstellung der Scaffolds wurde beobachtet, wenn Scaffolds im nassen Zustand komprimiert wurden und dann entlastet wurden, während trockene Proben in der komprimierten Formen blieben (kalte Deformation). Dieses Entropie-elastische Verhalten der nassen Scaffolds konnte durch die Verminderung der Glasübergangstemperatur des Netzwerks nach Wasseraufnahme erklärt werden (DMTA). Die zusammensetzungsabhängigen Kompressionsmoduli (Ec: 10 50 kPa) waren mit den mikromechanischen Young’s moduli vergleichbar, die mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen wurden. Das hydrolytische Degradationsprofil konnte variiert werden, und während des Abbaus kam es nur zu kontrolliert-graduellen Änderungen der mechanischen Eigenschaften. Während der Degradation konnte ein Anstieg der mittleren Porengröße beobachtet werden, was durch das Verschmelzen von Poren durch den Abbau der Wände erklärt werden kann. Die Endotoxinbelastung und die Zytotoxizität der Scaffolds wurden untersucht. Humane Haut-Fibroblasten wuchsen auf und innerhalb der Scaffolds (bis zu einer Tiefe von 90 µm). Indirekte Eluat-Tests mit L929 Mausfibroblasten wurden genutzt, um die Zytotoxizität der Materialien, insbesondere den Einfluss des Quervernetzertyps und des Tensids, zu bestimmen. Vollständig biokompatible Materialien wurden erzielt, wenn LDI als Quervernetzer und PEO40 PPO20-PEO40 als Tensid verwendet wurden. Durch den Einsatz von Gelatine mit geringem Endotoxin-Gehalt, und die Synthese in einer Sterilarbeitsblank konnten Materialien für medizinische Anwendungen (Endotoxin-Gehalt < 0.5 EU/mL) hergestellt werden. KW - Hydrogele KW - Polymer-Netzwerke KW - Gelatine KW - poröse Gerüste KW - Abbau KW - regenerative Medizin KW - hydrogels KW - polymer networks KW - gelatin KW - porous scaffolds KW - degradation KW - regenerative medicine Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49727 ER -