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Permafrost-affected ecosystems including peat wetlands are among the most obvious regions in which current microbial controls on organic matter decomposition are likely to change as a result of global warming. Wet tundra ecosystems in particular are ideal sites for increased methane production because of the waterlogged, anoxic conditions that prevail in seasonally increasing thawed layers. The following doctoral research project focused on investigating the abundance and distribution of the methane-cycling microbial communities in four different polygons on Herschel Island and the Yukon Coast. Despite the relevance of the Canadian Western Arctic in the global methane budget, the permafrost microbial communities there have thus far remained insufficiently characterized. Through the study of methanogenic and methanotrophic microbial communities involved in the decomposition of permafrost organic matter and their potential reaction to rising environmental temperatures, the overarching goal of the ensuing thesis is to fill the current gap in understanding the fate of the organic carbon currently stored in Artic environments and its implications regarding the methane cycle in permafrost environments. To attain this goal, a multiproxy approach including community fingerprinting analysis, cloning, quantitative PCR and next generation sequencing was used to describe the bacterial and archaeal community present in the active layer of four polygons and to scrutinize the diversity and distribution of methane-cycling microorganisms at different depths. These methods were combined with soil properties analyses in order to identify the main physico-chemical variables shaping these communities. In addition a climate warming simulation experiment was carried-out on intact active layer cores retrieved from Herschel Island in order to investigate the changes in the methane-cycling communities associated with an increase in soil temperature and to help better predict future methane-fluxes from polygonal wet tundra environments in the context of climate change. Results showed that the microbial community found in the water-saturated and carbon-rich polygons on Herschel Island and the Yukon Coast was diverse and showed a similar distribution with depth in all four polygons sampled. Specifically, the methanogenic community identified resembled the communities found in other similar Arctic study sites and showed comparable potential methane production rates, whereas the methane oxidizing bacterial community differed from what has been found so far, being dominated by type-II rather than type-I methanotrophs. After being subjected to strong increases in soil temperature, the active-layer microbial community demonstrated the ability to quickly adapt and as a result shifts in community composition could be observed. These results contribute to the understanding of carbon dynamics in Arctic permafrost regions and allow an assessment of the potential impact of climate change on methane-cycling microbial communities. This thesis constitutes the first in-depth study of methane-cycling communities in the Canadian Western Arctic, striving to advance our understanding of these communities in degrading permafrost environments by establishing an important new observatory in the Circum-Arctic.
Die Dissertation beschreibt die Herstellung von ringförmigen Verbindungen (Naphthalenophanen) mit Hilfe der Dehydro-Diels-Alder-Reaktion, wobei immer Enantiomerenpaare auftreten. Es wird der diastereoselektive Aufbau von Naphthalenophanen und der enantiomeren reine Aufbau von Biarylen untersucht. Desweiteren werden die physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Verbindungen, wie die Phosphoreszenz, Trennbarkeit der entstehenden Enantiomere und die Ringspannung beschrieben.
Given a large set of records in a database and a query record, similarity search aims to find all records sufficiently similar to the query record. To solve this problem, two main aspects need to be considered: First, to perform effective search, the set of relevant records is defined using a similarity measure. Second, an efficient access method is to be found that performs only few database accesses and comparisons using the similarity measure. This thesis solves both aspects with an emphasis on the latter. In the first part of this thesis, a frequency-aware similarity measure is introduced. Compared record pairs are partitioned according to frequencies of attribute values. For each partition, a different similarity measure is created: machine learning techniques combine a set of base similarity measures into an overall similarity measure. After that, a similarity index for string attributes is proposed, the State Set Index (SSI), which is based on a trie (prefix tree) that is interpreted as a nondeterministic finite automaton. For processing range queries, the notion of query plans is introduced in this thesis to describe which similarity indexes to access and which thresholds to apply. The query result should be as complete as possible under some cost threshold. Two query planning variants are introduced: (1) Static planning selects a plan at compile time that is used for all queries. (2) Query-specific planning selects a different plan for each query. For answering top-k queries, the Bulk Sorted Access Algorithm (BSA) is introduced, which retrieves large chunks of records from the similarity indexes using fixed thresholds, and which focuses its efforts on records that are ranked high in more than one attribute and thus promising candidates. The described components form a complete similarity search system. Based on prototypical implementations, this thesis shows comparative evaluation results for all proposed approaches on different real-world data sets, one of which is a large person data set from a German credit rating agency.
Die Kartierung planetarer Körper stellt ein wesentliches Mittel der raumfahrtgestützten Exploration der Himmelskörper dar. Aktuell kommen zur Erstellung der planetaren Karten Geo-Informationssysteme (GIS) zum Einsatz. Ziel dieser Arbeit ist es, eine GIS-orientierte Prozesskette (Planetary Mapping System (PMS)) zu konzipieren, mit dem Schwerpunkt geologische und geomorphologische Karten planetarer Oberflächen einheitlich durchführen zu können und nachhaltig zugänglich zu machen.
Der Einfluss von Bildung gewinnt gesellschaftlich und politisch an Bedeutung. Auch im wissenschaftlichen Bereich zeigt sich dies über eine vielseitige Diskussion zum Einfluss von Bildung auf das Einkommen. In dieser Arbeit werden nationale und regionale Disparitäten in der monetären Wertschätzung von allgemeinem Humankapital aufgedeckt und diskutiert. Dafür werden verschiedene Verfahren diskutiert und basierend darauf Intervalle für die mittleren Bildungsrenditen bestimmt. Im ersten Abschnitt wird die Thematik theoretisch über zwei verschiedene Modellansätze fundiert und kritisch diskutiert. Anschließend folgt die Darstellung des aktuellen empirischen Forschungsbestands. Der Hauptteil der Arbeit beginnt mit der Darstellung des verwendeten Datensatzes und seiner kritischen Repräsentativitätsprüfung. Eine nähere Variablenbeschreibung mit deskriptiver Analyse dient zur Erklärung der verwendeten Größen. Darauffolgend werden bestehende Verfahren zur Schätzung von Bildungsrenditen diskutiert. Unter ausschließlicher Berücksichtigung der Erwerbstätigen zeigt das 3SLS-Verfahren die besten Eigenschaften. Bezieht man jedoch alle Erwerbspersonen in die Analyse mit ein, so erweist sich das Heckman-Verfahren als sehr geeignet. Die Analyse - zunächst auf nationaler Ebene - bestätigt weitestgehend die bestehenden Erkenntnisse der Literatur. Eine Separierung des Datensatzes auf verschiedene Alterscluster, Voll- und Teilerwerbstätige sowie Erwerbstätige in der Privatwirtschaft und im öffentlichen Dienst zeigen keine signifikanten Unterschiede in der Höhe der gezahlten durchschnittlichen Bildungsrenditen. Anders verhält es sich bei der regionalen Analyse. Zunächst werden Ost- und Westdeutschland separat betrachtet. Für diese erste Analyse lassen sich über 95 %-Konfidenzintervalle deutliche Unterschiede in der Höhe der Bildungsrenditen ermitteln. Aufbauend auf diese Ergebnisse wird die Analyse vertieft. Eine Separierung auf Bundesländerebene und ein weiterer Vergleich der Konfidenzintervalle folgen. Zur besseren statistischen Vergleichbarkeit der Ergebnisse wird neben dem 3SLS-Verfahren, angewendet auf die separierten Datensätze, auch ein Modell ohne die Notwendigkeit der Separierung gewählt. Hierbei ist die Variation der Regionen über Interaktionsterme berücksichtigt. Dieses Regressionsmodell wird auf das OLS- und das Heckman-Verfahren angewendet. Der Vorteil hierbei ist, dass die Koeffizienten auf Gleichheit getestet werden können. Dabei kristallisieren sich deutlich unterschiedliche Bildungsrenditen für Mecklenburg-Vorpommern, aber auch für Sachsen-Anhalt und Thüringen im Vergleich zu den restlichen Bundesländern Deutschlands heraus. Diese Länder zeichnen sich durch eine besonders hohe jährliche Verzinsung von allgemeinem Humankapital aus. Es folgt eine Diskussion über mögliche Ursachen für die regional verschiedenen Bildungsrenditen. Dabei zeigt sich, dass in den Bundesländern mit hoher Rendite das mittlere Einkommensniveau und auch das durchschnittliche Preisniveau tendenziell geringer sind. Weiterhin wird deutlich, dass bei höheren relativen Abweichungen der durchschnittlichen Einkommen höhere Renditen zu verzeichnen sind. Auch die Wanderungsbewegungen je nach Qualifikation unterscheiden sich. Unter zusätzlicher Berücksichtigung der Arbeitslosenquoten zeigt sich in den Ländern mit hoher Rendite eine tendenziell höhere Arbeitslosigkeit. Im zusammenfassenden Fazit der Arbeit werden abschließend die Erkenntnisse gewürdigt. Dabei ist zu bemerken, dass der Beitrag einen Start in die bundesländerweite Analyse liefert, die eine Fortführung auf beispielsweise eine mehrperiodische Betrachtung anregt.
Within a research project about future sustainable water management options in the Elbe River basin, quasi-natural discharge scenarios had to be provided. The semi-distributed eco-hydrological model SWIM was utilised for this task. According to scenario simulations driven by the stochastical climate model STAR, the region would get distinctly drier. However, this thesis focuses on the challenge of meeting the requirement of high model fidelity even for smaller sub-basins. Usually, the quality of the simulations is lower at inner points than at the outlet. Four research paper chapters and the discussion chapter deal with the reasons for local model deviations and the problem of optimal spatial calibration. Besides other assessments, the Markov Chain Monte Carlo method is applied to show whether evapotranspiration or precipitation should be corrected to minimise runoff deviations, principal component analysis is used in an unusual way to evaluate local precipitation alterations by land cover changes, and remotely sensed surface temperatures allow for an independent view on the evapotranspiration landscape. The overall insight is that spatially explicit hydrological modelling of such a large river basin requires a lot of local knowledge. It probably needs more time to obtain such knowledge as is usually provided for hydrological modelling studies.
Modifizierung von Silikonelastomeren mit organischen Dipolen für Dielektrische Elastomer Aktuatoren
(2013)
Ein Dielektrischer Elastomer Aktuator (DEA) ist ein dehnbarer Kondensator, der aus einem Elastomerfilm besteht, der sich zwischen zwei flexiblen Elektroden befindet. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung, ziehen sich die Elektroden aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen an, wodurch das Elastomer in z-Richtung zusammengepresst wird und sich dementsprechend in der x-,y-Ebene ausdehnt. Hierdurch werden Aktuationsbewegungen erreicht, welche sehr präzise über die Spannung gesteuert werden können. Zusätzlich sind DEAs kostengünstig, leicht und aktuieren geräuschlos. DEAs können beispielsweise für Produkte im medizinischen Bereich oder für optischer Komponenten genutzt werden. Ebenso kann aus diesen Bauteilen Strom erzeugt werden. Das größte Hindernis für eine weite Implementierung dieser Materialien liegt in den erforderlichen hohen Spannungen zum Erzeugen der Aktuationsbewegung, welche sich tendenziell im Kilovolt-Bereich befinden. Dies macht die Elektronik teuer und die Bauteile unsicher für Anwender. Um geringere Betriebsspannungen für die DEAs zu erreichen, sind signifikante Materialverbesserungen - insbesondere des verwendeten Elastomers - erforderlich. Um dies zu erreichen, können die dielektrischen Eigenschaften (Permittivität) der Elastomere gesteigert und/oder deren Steifigkeit (Young-Modul) gesenkt werden. In der vorliegenden Arbeit konnte die Aktuationsleistung von Silikonfilmen durch die Addition organischer Dipole erheblich verbessert werden. Hierfür wurde ein Verfahren etabliert, um funktionalisierte Dipole kovalent an das Polymernetzwerk zu binden. Dieser als "One-Step-Verfahren" bezeichnete Ansatz ist einfach durchzuführen und es werden homogene Filme erhalten. Die Dipoladdition wurde anhand verschiedener Silikone erprobt, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften unterschieden. Bei maximalem Dipolgehalt verdoppelte sich die Permittivität aller untersuchten Silikone und die Filme wurden deutlich weicher. Hierbei war festzustellen, dass die Netzwerkstruktur der verwendeten Silikone einen erheblichen Einfluss auf die erreichte Aktuationsdehnung hat. Abhängig vom Netzwerk erfolgte eine enorme Steigerung der Aktuationsleistung im Bereich von 100 % bis zu 4000 %. Dadurch können die Betriebsspannungen in DEAs deutlich abgesenkt werden, so dass sie tendenziell bei Spannungen unterhalb von einem Kilovolt betrieben werden können.
Gewichts- und essstörungsrelevante Auffälligkeiten sind bereits im Kindesalter verbreitet. Neben genetischen Faktoren kommt auch die familiale Vermittlung gestörten Essverhaltens als Genesefaktor in Betracht. Ab dem Alter von zehn Jahren gibt es eine breite empirische Basis für die Verknüpfung gestörten Essverhaltens zwischen Müttern und ihren Kindern. Für das Alter unter zehn Jahren existiert bislang wenig gesichertes Wissen. Die Erforschung der spezifischen Wirkung des mütterlichen auf kindliches gestörtes Essverhalten ist jedoch im Hinblick auf Ansätze zur Prävention kindlicher Gewichts- und Essstörungen für dieses Alter von Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gestörtes Essverhalten von Müttern und Kindern im Alter zwischen einem und zehn Jahren sowie die Beziehung gestörten Essverhaltens von Müttern und ihren Kindern in zwei Studien analysiert. Die erste Studie verfolgte das Ziel, gestörtes Essverhalten von Müttern und Kindern sowie deren Beziehung im Kontext mütterlichen Übergewichts zu analysieren. Es wurden 219 Mütter von Kindern im Alter von drei bis sechs Jahren befragt. In der zweiten Studie wurde neben mütterlichem Übergewicht die Rolle mütterlicher Essstörungssymptomatik fokussiert und in den Analysen des gestörten Essverhaltens von Kindern im Alter von einem bis zehn Jahren berücksichtigt. In die Untersuchung ging eine Stichprobe von 506 Müttern und deren Kindern ein. In beiden Studien beantworteten Mütter ein Fragebogenpaket, welches Instrumente zum gestörten Essverhalten der Mütter (emotionales, externales und gezügeltes Essverhalten) und gestörten Essverhalten des Kindes (emotionales und externales Essverhalten sowie Verlangen nach Essen) umfasste. In der zweiten Studie wurden darüber hinaus Primärsymptomatik einer Essstörung der Mutter (Schlankheitsstreben, Körperunzufriedenheit und bulimisches Essverhalten) und pathologisches Essverhalten der Kinder erfragt. Übergewichtige Mütter berichteten nicht nur höhere Ausprägungen emotionalen und externalen Essverhaltens, sondern auch mehr Schlankheitsstreben, Körperunzufriedenheit und bulimisches Essverhalten als normal- und untergewichtige Mütter. Insgesamt 26% der befragten Mütter der zweiten Studie berichteten eine relevante Essstörungssymptomatik, davon waren 62% übergewichtig. Für die Kinder konnten keine Geschlechtsunterschiede hinsichtlich des Essverhaltens nachgewiesen werden. Im Grundschulalter waren emotionales und pathologisches Essverhalten höher ausgeprägt als bei jüngeren Kindern. Kindliches Übergewicht war mit mehr emotionalem und externalem Essverhalten, Verlangen nach Essen sowie pathologischem Essverhalten verbunden. Das Vorliegen mütterlichen Übergewichts sowie einer mütterlichen Essstörungssymptomatik war mit höheren Ausprägungen v.a. emotionalen Essverhaltens des Kindes assoziiert. Die höchsten Ausprägungen emotionalen Essverhaltens zeigten Kinder, deren Mütter Übergewicht und eine komorbide Essstörungssymptomatik berichtet hatten. Darüber hinaus leisteten gestörte Essverhaltensweisen der Mutter über allgemeine und gewichtsspezifische Aspekte hinaus einen relevanten Beitrag zur Varianzaufklärung emotionalen und externalen Essverhaltens des Kindes. Dabei war emotionales und externales Essverhalten von Mutter und Kind spezifisch miteinander verknüpft. In der ersten Studie ließ sich im Rahmen eines Mediatormodells zeigen, dass die Beziehung zwischen mütterlichem BMI und emotionalem Essverhalten des Kindes vollständig durch das emotionale Essverhalten der Mutter vermittelt wurde. In der zweiten Studie moderierte das Alter des Kindes die Beziehung zwischen emotionalem Essverhalten von Müttern und ihren Kindern in Richtung einer signifikanten Assoziation ab dem Alter von 5,4 Jahren des Kindes. Die vorliegende Arbeit liefert deutliche Hinweise auf die Verknüpfung zwischen mütterlichen gewichts- und essstörungsrelevanten Merkmalen und kindlichem gestörtem Essverhalten. Die Befunde legen nahe, dass emotionales Essverhalten als spezifischer Übertragungsweg gewichts- und essbezogener Störungen zwischen Müttern und Kindern in Betracht kommt und in Präventionsansätzen berücksichtigt werden sollte.
Enterolignans (enterodiol and enterolactone) exhibit structural similarity to estradiol and have therefore been hypothesized to modulate hormone related cancers such as breast cancer. The bioactivation of the plant lignan secoisolariciresinol diglucoside (SDG) requires the transformation by intestinal bacteria including the deglycosylation of SDG to secoisolariciresinol (SECO) followed by demethylation and dehydroxylation of SECO to enterodiol (ED). Finally, ED is dehydrogenated to enterolactone (EL). It is unclear whether the bacterial activation of SDG to ED and EL is crucial for the cancer preventing effects of dietary lignans. The possible protective effect of bacterial lignan transformation on a 7,12 dimethylbenz(a)anthracene (DMBA)-induced breast cancer in gnotobiotic rats was investigated. Germ-free rats were associated with a defined lignan-converting consortium (Clostridium saccharogumia, Blautia producta, Eggerthella lenta, and Lactonifactor longoviformis). The rats colonized with lignan-converting bacteria consortium (LCC) were fed a lignan-rich flaxseed diet and breast cancer was chemical induced. Identically treated germ-free rats served as control. All bacteria of the consortium successfully colonized the intestine of the LCC rats. The plant lignan SDG was converted into the enterolignans ED and EL in the LCC rats but not in the germ-free rats. This transformation did not influence cancer incidence but significantly decreased tumor numbers per tumor-bearing rat, and tumor size. Cell proliferation was significantly inhibited and apoptosis was significantly induced in LCC rats. No differences between LCC and control rats were observed in the expression of the genes encoding the estrogen receptors (ERα and ERβ) and G-coupled protein receptor 30 (GPR30). Similar findings were observed for both insulin-like growth factor 1 (IGF-1) and epidermal growth factor receptor (EGFR) genes involved in tumor growth. Proteome analysis revealed that 24 proteins were differentially expressed in tumor tissue from LCC and germ-free. RanBP-type and C3HC4-type zinc finger-containing protein 1 (RBCK1) and poly(rC)-binding protein 1 (PBCP1) were down-regulated by 3.2- and 2.0-fold, respectively. These proteins are associated with cell proliferation. The activity of selected enzymes involved in the degradation of oxidants in plasma and liver was significantly increased in the LCC rats. However, plasma and liver concentrations of reduced glutathione (non-enzymatic antioxidant) and malondialdehyde (oxidative stress marker) did not differ between the groups. In conclusion, the bacterial conversion of plant lignan to enterolignans beneficially influences their anti-cancer effect. However, the mechanisms involved in these effects remain elusive.
Various synthetic approaches were explored towards the preparation of poly(N-substituted glycine) homo/co-polymers (a.k.a. polypeptoids). In particular, monomers that would facilitate in the preparation of bio-relevant polymers via either chain- or step-growth polymerization were targeted. A 3-step synthetic approach towards N-substituted glycine N-carboxyanhydrides (NNCA) was implemented, or developed, and optimized allowing for an efficient gram scale preparation of the aforementioned monomer (chain-growth). After exploring several solvents and various conditions, a reproducible and efficient ring-opening polymerization (ROP) of NNCAs was developed in benzonitrile (PhCN). However, achieving molecular weights greater than 7 kDa required longer reaction times (>4 weeks) and sub-sequentially allowed for undesirable competing side reactions to occur (eg. zwitterion monomer mechanisms). A bulk-polymerization strategy provided molecular weights up to 11 kDa within 24 hours but suffered from low monomer conversions (ca. 25%). Likewise, a preliminary study towards alcohol promoted ROP of NNCAs suffered from impurities and a suspected alternative activated monomer mechanism (AAMM) providing poor inclusion of the initiator and leading to multi-modal dispersed polymeric systems. The post-modification of poly(N-allyl glycine) via thiol-ene photo-addition was observed to be quantitative, with the utilization of photo-initiators, and facilitated in the first glyco-peptoid prepared under environmentally benign conditions. Furthermore, poly(N-allyl glycine) demonstrated thermo-responsive behavior and could be prepared as a semi-crystalline bio-relevant polymer from solution (ie. annealing). Initial efforts in preparing these polymers via standard poly-condensation protocols were insufficient (step-growth). However, a thermally induced side-product, diallyl diketopiperazine (DKP), afforded the opportunity to explore photo-induced thiol-ene and acyclic diene metathesis (ADMET) polymerizations. Thiol-ene polymerization readily led to low molecular weight polymers (<2.5 kDa), that were insoluble in most solvents except heated amide solvents (ie. DMF), whereas ADMET polymerization, with diallyl DKP, was unsuccessful due to a suspected 6 member complexation/deactivation state of the catalyst. This understanding prompted the preparation of elongated DKPs most notably dibutenyl DKP. SEC data supports the aforementioned understanding but requires further optimization studies in both the preparation of the DKP monomers and following ADMET polymerization. This work was supported by NMR, GC-MS, FT-IR, SEC-IR, and MALDI-Tof MS characterization. Polymer properties were measured by UV-Vis, TGA, and DSC.