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Water flow paths in soils of an undisturbed and landslide affected mature montane rainforest in South Ecuador
(2010)
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Folkert Christian Bauer
- The number of previous hydrological studies concerning water flow paths in tropical montane rainforest is small. However, due to the increasing pressure of deforestation and land use change comprehensive knowledge of these natural ecosystems is needed if sustainable land use strategies should keep negative effects of human impacts on water flow paths as low as possible. In this context, present work addresses the identification, characterisation, and modelling of water flow paths in soils of an undisturbed and landslide affected natural Andean forest ecosystem in the south of Ecuador whose deforestation rate is one of the highest in South America. In an investigation area situated in the Andes of South Ecuador, in gentler slopes and altitudes above 2100 m ASL mainly Stagnosols and Histosols with stagnic colour pattern and low to negligible rock fragment content prevail. With increasing altitude the abundance of these soils increase, while the presence of Cambisols and Regosols is most pronounced below 2100 m ASL and clearly correlated with the slope angle. Therefore, these soils were mainly encountered in steeper, particularly landslide affected sites often resembling a melange of fine soil and high contents of rock fragments. Aside the investigation of the influence of the rock fragment content on soil hydrological- and physical parameters such as the relationship between rock fragment content and saturated hydraulic conductivity of the soil, present study aims particularly to investigate flow paths of water in soils of landslide affected and unaffected hillslopes. Therefore, we employed conventional field- and laboratory methods, dye tracer experiments including an appropriate image processing technique, as well as statistical models. Results show that both rock fragment content and bulk density control significantly, but not largely the saturated hydraulic conductivity of the mineral soils. Dye tracer experiments and soil parameters document a deeper percolation in the landslide affected hillslopes than in the landslide unaffected hillslopes, where we found preferential flow in root channels with low soil matrix interaction as dominant flow mechanism. A surface near quasi impervious layer along the interface between topsoil and subsoil limits percolation of the water giving the prerequisites of a lateral shallow subsurface flow along the interface between topsoil and organic layer. This is in line with previous studies performed in the same investigation area which already proved indirectly the existence of this flow. However, in none of these studies the shallow subsurface flow was assigned to certain slope inclinations or altitudes. Due to a recently published digital soil map and the results we obtained from the landslide unaffected sites, we know that particularly in hillslopes of less than 30 degrees above 2100 m ASL prerequisites are given for spatially extended shallow subsurface flow. However, even if these prerequisites are not evident for the landslide affected hillslopes, we cannot exclude the possibility of shallow subsurface flow occurrence here since soil cover of the steep terrain is relatively shallow while rainfall is high throughout the year. Therefore, and given that key parameters such as permeability of subsoil and bedrock, interception and evaporation remain unclear or were investigated exclusively such as the spatial variability of the saturated hydraulic conductivity, we conducted a series of virtual experiments in order to assess the potential occurrence of shallow subsurface flow in Cambisols below 2100 m ASL. In these experiments we also included the organic layer being highly abundant in the investigation area, whose hydraulic parameters were estimated by means of inverse numerical modelling. The virtual experiments were based on a two dimensional finite element model representing a steep forested hillslope transect of approx. 54 m length. Aside soil properties, evapotranspiration and interception, the model included the spatial variability of the saturated hydraulic conductivity, the pressure head and their spatial trends. The results of virtual experiment series show that a sound evidence of the key parameters aforementioned is obligate if process conceptualisation regarding shallow subsurface flow generation, but also landslide initiation, solute and matter transport is in the spotlight.
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Von der Faltung zur Funktion: Steuerung des Infektionsmechanismus filamentöser Phagen durch Faltungsprozesse und Beschleunigung oxidativer Faltung durch Thioloxidasen
(2010)
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Stefan Lorenz
- Die filamentösen Phagen IF1 und fd sind eng miteinander verwandt. Dies spiegelt sich auch bei der Infektion von E. coli Zellen wider, die bei beiden Phagen nach einem Zweischrittmechanismus abläuft, der durch die jeweiligen Gen-3-Proteine (G3P) vermittelt wird. Im ersten Schritt bindet die N2 Domäne von G3P an den bakteriellen Pilus, beim Phagen IF1 an den I Pilus, beim Phagen fd an den F Pilus. Durch die spezifische Bindung an einen Pilus bestimmt die N2 Domäne von G3P die Wirtsspezifität des Phagen. Im zweiten Schritt der Infektion interagiert in beiden Fällen die N1 Domäne mit dem bakteriellen Rezeptor TolA-C. Die N1 Domänen der G3Ps beider Phagen binden mit demselben Bindungsmuster an die gleiche Stelle von TolA C, wie die Röntgenstrukturanalyse der beiden Komplexe zeigt. Der molekulare Mechanismus der Infektion unterscheidet sich, da die G3Ps der Phagen IF1 und fd eine verschiedenartige Domänenorganisation besitzen. Im G3P des Phagen IF1 stellen N1 und N2 zwei eigenständige und stabile Einheiten dar, die Bindungsstellen für den I Pilus und TolA-C sind daher permanent zugänglich. Das native G3P des Phagen fd liegt dagegen in einer geschlossenen, inaktiven Konformation vor, in der N1 und N2 fest miteinander assoziiert sind und die Bindungsfläche für TolA-C auf N1 in der Grenzfläche zwischen N1 und N2 verborgen ist. Erst die Bindung von N2 an den bakteriellen F Pilus führt zur Domänendissoziation, wodurch die Bindungsstelle für TolA C auf N1 zugänglich wird. Dieser komplexe Infektionsmechanismus des Phagen fd konnte in den einfacheren Infektionsmechanismus des Phagen IF1 überführt werden, indem die Domäneninteraktion durch die Deletion von sieben Aminosäuren im Gelenkbereich zwischen N1 und N2 aufgelöst wurde. Eine Erhöhung der Infektionsraten auf das Niveau des Referenzphagen fd wurde durch eine nachträgliche selektive Stabilisierung der N2 Domäne erreicht. Die Phagen fd und IF1 entwickelten unterschiedliche Strategien um Infektiosität und eine hohe thermodynamische Stabilität der G3Ps zu vereinen. In IF1 G3P bildeten sich zwei eigenständige, stabile Domänen aus, in fd G3P hingegen etablierte sich eine geschlossene Konformation, in der die labile N2 Domäne durch eine starke Assoziation mit der N1 Domäne stabilisiert wird. Die Notwendigkeit der Domänendissoziation in G3P während der Infektion durch den Phagen fd wurde durch die Konstruktion eines G3Ps nachgewiesen, in dem N1 und N2 durch eine Disulfidbrücke kovalent miteinander verknüpft sind. Diese Verknüpfung verhindert die Domänendissoziation und folglich die Infektion. Das Phagenkonstrukt mit dieser G3P Variante als Vermittler der Infektion ermöglicht eine steuerbare Infektion, die durch Reduktion der Disulfidbrücke induziert werden kann. Die Konstruktion von Disulfidbrücken wurde ebenfalls benutzt, um die Chaperondomäne der Peptidyl-Prolylisomerase SlpA zu stabilisieren. In weitergehenden Untersuchungen werden die Disulfidbrücken in das Volllängenprotein SlpA eingebaut, um die Auswirkung dieser entropischen Stabilisierung auf Funktion und Stabilität des Zweidomänenproteins analysieren zu können. Die Chaperondomäne der Peptidyl-Prolylisomerase SlyD, die in isolierter Form ungefaltet vorliegt, konnte ebenfalls durch den Einbau einer Disulfidbrücke stabilisiert werden. Die konformationelle Faltung dieser stabilisierten Variante ist strikt an die Ausbildung der Disulfidbrücke gekoppelt. Daher eignet sich dieses Protein hervorragend als Substrat, um die Beschleunigung der oxidativen Faltung durch Thioloxidasen zu charakterisieren. Die Effizienz der Katalyse der oxidativen Faltung korreliert dabei nicht mit dem Reduktionspotential der Faltungshelfer, sondern mit der Fähigkeit nicht-native Substratproteine über hydrophobe Bindungsflächen, hier Chaperondomänen, zu binden. Die Bindung nicht-nativer Substrate über Chaperondomänen, sowie ein geeignetes Reduktionspotential des katalytischen Disulfids, sind ebenfalls Voraussetzungen für eine Disulfidisomeraseaktivität von Faltungshelfern. Deshalb besitzen PDI und DsbC neben einer hohen Thioloxidaseaktivität auch eine hohe Disulfidisomeraseaktivität. Für diese Untersuchungen wurde ein sensitiver Test auf Grundlage der Reaktivierung fehlgefalteter RNase T1 und der Hydrolyse von Fluorophor-markierten Oligonukleotiden etabliert und zur Analyse von PDI, DsbC und DsbA eingesetzt. Mia40 ist eine neuartige Thioloxidase im Intermembranraum von Mitochondrien. Für Mia40 konnte die Kristallstruktur mit einer Auflösung von 2,3 Å gelöst werden. Mia40 zeigt keine strukturelle Ähnlichkeit zu bekannten Thioloxidasen. Wie viele andere Faltungshelfer wirkt Mia40 als Chaperon, in vitro verhindert es effektiv die Aggregation rückfaltender Citratsynthase. Mia40 zeigt in vitro lediglich Oxidase-, aber keine Disulfidisomeraseaktivität. Ob Mia40 in vivo ausschließlich als Thioloxidase wirkt, oder bei speziellen Substraten doch fehlerhafte Disulfidbrücken auflösen kann, ist noch unklar und Gegenstand weiterführender Forschungsarbeiten.
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Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen mitochondrialer Morphologie, Alterung und Apoptose in Saccharomyces cerevisiae
(2010)
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Mark Dürr
- Mitochondrien üben viele essentielle Funktionen in eukaryotischen Organismen aus. Ihre Aufgaben bestehen zum Beispiel in der Bereitstellung von Energie in Form von ATP durch die oxidative Phosphorylierung sowie in der Bildung von Eisen-Schwefel-Clustern. Mitochondrien bilden ein Netzwerk, dessen Form sich hochdynamisch an spezifische Bedingungen und Änderungen im Metabolismus anpassen kann. Die Bedeutung einer intakten Dynamik wird dann offensichtlich, wenn man die Auswirkungen der Fehlregulierung dieses Prozesses betrachtet. Die Störung der mitochondrialen Fusion geht in Säugern mit einer Reihe von schweren Erkrankungen, wie Charcot-Marie-Tooth Neuropathie Typ 2A oder Dominanter Optischer Atrophie einher. Zudem spielen Mitochondrien und die mitochondriale Dynamik eine zentrale Rolle beim programmierten Zelltod (Apoptose). Die Fragmentierung der Mitochondrien ist dabei ein entscheidender Schritt beim Ablauf dieses Prozesses. Auch in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, einem fakultativ anaeroben eukaryotischen Organismus, spielen mitochondriale Teilung und Fusion eine wichtige Rolle bei der Apoptose. Bis heute sind jedoch kaum negative Auswirkungen fehlgesteuerter mitochondrialer Dynamik auf andere Prozesse wie Zelldifferenzierung oder Alterung in Hefezellen bekannt. In dieser Arbeit wurde der Effekt von gestörter mitochondrialer Teilung und Fusion auf die Sporulation von Hefezellen sowie auf deren Lebensdauer untersucht. Dabei wurde auch der Zusammenhang zwischen Apoptose und Zellalterung in Hefekulturen näher betrachtet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass die Deletion von Mdm30 (mitochondrial distribution und morphology protein 30), einem Regulator des mitochondrialen Fusionsproteins Fzo1 (fuzzy onions homolog 1), zu einer eingeschränkten Sporulationseffizienz sowie zu mitochondrialen Vererbungsdefekten in den einzelnen Sporen führt. Des Weiteren zeigten die Untersuchungen, dass eine intakte mitochondriale Dynamik ausschlaggebend für die Alterung von Hefekulturen ist. Die gleichzeitige Blockade der mitochondrialen Fusion und Teilung durch Deletion der Fusionskomponente Fzo1 und des mitochondrialen Teilungsproteins Dnm1 (dynamin-related protein 1) hat negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Fitness der Hefekulturen. Der mitochondriale Fusionsdefekt führt zudem zu einer stark herabgesetzten chronologischen Lebensdauer verbunden mit verstärkter Apoptose der Hefezellen. Eine direkte Blockade der Apoptose durch die Deletion des proapoptotischen Faktors Yca1 (yeast caspase 1) führt ebenfalls zu einer Reduktion der chronologischen Lebensdauer von Hefekulturen. Interessanterweise verlängert die gleichzeitige Inkubation der Mutante mit wildtypischen Zellen die Lebensdauer der Δyca1-Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass Hefekulturen vom programmierten Zelltod einzelner Zellen profitieren können, was zu einer Verlängerung der chronologischen Lebensspanne führt. Obwohl Sinn und Nutzen des programmierten Zelltodes für S. cerevisiae immer noch kontrovers diskutiert werden, liefern die in dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse weitere Argumente für die Notwendigkeit der Apoptose für diese einzelligen Organismen.
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Untersuchungen zum Wissenserwerb, zur kognitiven Belastung und zu emotionalen Faktoren im experimentellen Unterricht über Grundlagen der Gentechnik im Lernort Labor unter besonderer Berücksichtigung von Schülervorstellungen (am Beispiel des Demonstrationslabors Bio-/Gentechnik der Universität Bayreuth mit Schülern der 10. Klasse Realschule)
(2010)
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Gaitano Franke
- Gentechnik ist ein aktuelles Thema des Biologieunterrichtes der 10. Jahrgangsstufe des Lehrplans der sechsstufigen Realschule in Bayern. Um eine praktische Auseinandersetzung mit dieser Thematik zu ermöglichen, wurde das Demonstrationslabor Bio-/ Gentechnik des Lehrstuhls Didaktik der Biologie an der Universität Bayreuth seit 2007 erstmals auch für dieses Schülerklientel zugänglich gemacht. In einem mehrstündigen Praktikumsunterricht wurden 293 Schülerinnen und Schülern aus 13 nordbayerischen Realschulklassen Grundlagen der Gentechnik näher gebracht, indem Experimente zu den einzelnen Schritten eines Klonierungsversuchs (Restriktion und Ligation von DNA, Transformation von E. coli- Bakterien, Ausplattieren von Bakterien) durchgeführt wurden. Gleichzeitig zu den Praktika wurden drei Begleitstudien durchgeführt, deren Zweck die Evaluation des Unterrichtserfolgs war: Hierbei sollte überprüft werden, welche Auswirkungen der Praktikumsbesuch auf verschiedene kognitive Faktoren, wie den Wissenserwerb oder die geistige Anstrengung, aber auch auf affektive Faktoren, wie situationsbezogene Emotionen (z.B. Interesse und Wohlbefinden), hat. Weiterhin sollte der Frage nachgegangen werden, ob ein Konzeptwechsel in diesem Rahmen möglich ist. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Beobachtung der Auswirkungen einer Berücksichtigung von Schülervorstellungen im Unterricht. Zu diesem Zweck wurden die Schülerinnen und Schüler klassenweise auf zwei Interventionsgruppen (I-1, I-2) verteilt. Beide Gruppen erhielten im Demonstrationslabor denselben experimentellen Unterricht mit dem Unterschied, dass die Lernenden in I-2 zusätzlich mit Schülervorstellungen zur Gentechnik konfrontiert wurden. Dazu wurden in einer zuvor durchgeführten Studie die Vorstellungen von 144 Schülerinnen und Schülern zu acht Begriffen und Prozessen der Gentechnik erfasst und kategorisiert sowie anschließend in die Unterrichtskonzeption integriert. Die unterrichtliche Umsetzung orientierte sich dabei an einem konstruktivistischen Lehrmodell. Die Ergebnisse der drei Begleitstudien ergaben, dass sich die Behandlung von Schülervorstellungen im Unterricht in vielerlei Hinsicht positiv auf die Lernenden auswirkte: So zeigten sich die Schülerinnen und Schüler der Gruppe I-2 interessierter und fühlten sich wohler. Auch erzielten sie signifikant bessere Ergebnisse im Wissenstest, der im Anschluss an den Unterricht durchgeführt wurde, bei gleichzeitig verringerter geistiger Anstrengung. Es ist auch in dieser Gruppe gelungen, einen Konzeptwechsel zugunsten der fachwissenschaftlichen Vorstellungen zu erzielen. Hervorzuheben war die besondere Wirkung der Konfrontationsmethode auf die Schüler, die sich durch die Berücksichtigung ihrer Vorstellungen - im Gegensatz zu Schülerinnen - verstärkt angesprochen fühlten. Ausgehend von diesen positiven Ergebnissen empfiehlt es sich, die Erfassung von Schülervorstellungen auf weitere Themen auszudehnen, um es den Lehrern zu ermöglichen, in vielen Unterrichtssituationen auf diese zurückgreifen zu können.
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Turnover and fluxes of carbon and nitrogen in a spruce forest under natural and extreme meteorological conditions
(2010)
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Kerstin Schulze
- Climate models predict an increase in the intensity and frequency of extreme meteorological climate events like extended summer droughts, heavy rainfall or intensive frost periods with largely unknown effects on microbial activity and pysico-chemical soil properties and their impact on availability of soil organic matter. The influence of drying/rewetting (A/W) and freezing/thawing (G/A) events on solution chemistry and leaching losses of soils is barely known. This thesis aimed to study the effects of A/W and G/A events on soil solution chemistry and solute fluxes, in particular, of dissolved organic carbon (DOC) and inorganic nitrogen (NH4+, NO3-) in a podzol soil under a Norway spruce forest. A field experiment was designed to study the effects of (i) summer drought by exclusion of natural throughfall and subsequent rewetting and of (ii) soil frost by removal of natural snow cover. In complementary laboratory experiments with undisturbed soil columns, (i) drying/rewetting cycles were simulated with different rewetting intensities and (ii) freezing/thawing cycles were induced using different freezing temperatures. In the second part of this work, total C and N stocks as well as radiocarbon signatures of soil organic carbon (SOC) from different soil horizons and density fractions were investigated. A/W increased the DOC concentrations in the organic layer and upper mineral soil. More DOC was released from the organic layer to the mineral soil. However, the effects on total DOC leaching were smaller due to reduced water fluxes. Specific UV absorbance and emission fluorescence detected a switch in the release of easily decomposable DOC to hardly decomposable DOC during the wetting phase. Prolonged summer drought and incomplete rewetting due to hydrophobicity of SOM in the organic layer and upper mineral horizon reduced net N mineralisation as well as concentrations and fluxes of the NH4+ and NO3-. The net nitrification rate in the organic layer was more negatively influenced than net ammonification, indicating that nitrifiers are more sensitive to drought stress than ammonifiers. The effect of soil frost strongly depended on soil freezing temperature. Only soil frost at temperature below -8°C led to short periods of additional DOC production in the organic layer. Spectroscopic properties and ∆14C signatures of DOC implied a disruption of soil aggregates and desorption of older DOC from the mineral associated organic matter fraction of the Oa horizons by G/A events. Severe soil frost below -8°C inhibited the activity of nitrifiers and ammonifiers with decreased NH4+ and NO3- concentrations and fluxes in the mesocosm experiment. A delayed (by 4 months) increase in NO3- concentration in the upper soil horizon by moderate soil frost (-5°C) was attributed to reduced Immobilisation by heterotrophic microorganisms. Summarised, drying and the effect of hydrophobicity led to long-term, severe soil frost to short-term reduction in N mineralisation and N leaching. The effect of increased NO3- concentrations as delayed response to G/A needs further research in case of potentially changes in the N balance. Drying as well as freezing induced changes in the soil structure and properties and led to increased DOC concentrations. Moderate soil temperature had much less effects on C and N in this temperate forest soil. The results of this thesis demonstrated the potential of extreme meteorological events on the quality and availability of dissolved C and N. Both, A/W and G/A cycles decreased C and N mineralisation, increased the sink strength of the soil by the accumulation of SOC and N, considering constant C and N litter input. However, optimal temperature and moisture conditions in other seasons could compensate the sink strength of soils. This work underpins the need for holistic and long-term investigations to understand and model the impact of extreme meteorological conditions on the dynamics of dissolved C and N.
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Tropical bracken, a powerful invader of pastures in South Ecuador: Species composition, ecology, control measures, and pasture restoration
(2010)
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Kristin Roos
- Bracken (Pteridium spec.) is one of the most wide-spread weeds, especially where fire has been used for forest clearing or maintenance of agricultural areas. Taxonomically, it is considered an aggregate that separates into a northern hemispherical and a southern, tropical complex. Different from the extensively studied northern bracken, the knowledge of ecology and control measures of the tropical species is still fragmentary. The main aims of my thesis were (1) identification and population structure of bracken, (2) ecology of tropical bracken with particular emphasis on its survival of bushfires, and (3) development of an effective bracken control strategy and subsequent re-pasturisation of abandoned areas. The bracken vegetation of the study area consists of mixed stands of Pteridium arachnoideum (KAULF.) MAXON and P. caudatum (L.) MAXON with a proportion of 3:2, and of a hybrid (ca. 2%). Identification was by leaf morphology, allozyme analysis, comparison of particular chloroplastic DNA sequences, and analysis of four genomic and one plastidic microsatellites. Dominance of P. arachnoideum was explained by the fact that P. caudatum, as a lowland species, reaches its upper altitudinal limit in the research area. Analysis of heterozygosity indicated a higher genetic stability of the diploid P. arachnoideum population as compared to the allotetraploid P. caudatum population. Spatial extension of the individual clones is much smaller than reported for the northern bracken, indicating higher significance of sexual reproduction for the tropical fern in comparison to vegetative propagation by rhizome fragmentation. Four weeks after burning the natural rain forest, vigorously sprouting bracken sporophytes were observed. These developed from gametophytes, which germinated from the wind dispersed spores. Fast growth of the young sporophytes established the fern in the areas. After planting pasture grass, bracken was supported by repeated burning of the areas. In the long run, the grass was outcompeted by the fern possibly due to weakening of its vitality by burning and grazing, and the areas have been abandoned. The density of bracken fronds in a settled bracken area of our research site remained constant over years with small deviations caused by particular weather situations. Since this balance holds also for patchy fern canopies, it is assumed that this is due to nutrient shortage of the soil. Most probably, a new leaf can only develop from the nutrients remobilized from a senescing old leaf. Two to three months after a fire, an explosive emergence of new leaves was observed at rates, which substantially exceeded those under undisturbed growth. The newly formed leaves showed an extended life-span, which was attributed to a better nutrient supply from the ash. Subsequent self-thinning reduced the density of the leaves to a stable level within two years. In a laboratory experiment, the effects of heat pulse by a simulated bushfire on the bracken rhizomes were investigated. Separated long and short shoots were heated for a short time either in a water bath or embedded in soil. Subsequent to this heat pulse, they were cultivated in original soil. Short shoots showed a significantly higher heat resistance (up to 80°C) than long shoots (up to 60°C). In addition, the short shoots showed elongation growth and an enhanced frond production, whereas long shoots were not stimulated by the heat pulse. In a bracken control experiment, thirteen control measures (cutting of the fronds, several herbicides, covering with plastic foil and combinations thereof) were applied over a time-period of 23 months. Each treatment was repeated six times and the effects were recorded monthly. Quarterly cutting of the leaves as well as treatment with a customary herbicide mixture (picloram and metsulforon methyl) were the most effective treatments resulting in a reduction of the standing biomass by 65%. Monthly records of the resprouting bracken was necessary to work out the minimum number of treatments required for a clear control effect. For the five most efficient treatments among two to four applications were necessary. However, complete eradication of bracken was not possible. For re-pasturisation, the common pasture grass Setaria sphacelata was planted on the treated areas within a long-term experiment. After nearly two years of observation, the system had stabilized with a cover of S. sphacelata of 75% and of bracken of below 40%. This result demonstrated that the competitive strength of S. sphacelata was sufficient to control bracken once weakened by control treatments. The long-term experiment and, in addition, an experiment in which a gradually bracken-infested area is subjected to controlled burning, are continued.
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Towards a Better Physical Understanding of Human Hair: Development of Fiber Tribology-Methods at the Micro- and Nanoscale
(2010)
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Eva C. Max
- Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung verschiedener physikalischer Messmethodiken zur Untersuchung von Mikrofaseroberflächen. Das zugrunde liegende System hierbei hat das Augenmerk auf die Veränderungen der Oberflächen von Haaren durch applizieren mit unterschiedlichen Shampooformulierungen. Fokussiert werden die physikalischen Veränderungen, einerseits in der Makro - und Mikroskala und andererseits in der Nanoskala. Haarpflegemittel wie Shampoos oder Conditioner spielen eine wichtige Rolle für unser Wohlbefinden und bieten einen weltweit attraktiven Markt für die Industrie. Von Seiten der Forschung wurde die Wirkungsweise und Adsorption von aktiven Wirkstoffen in Haarpflegemitteln deshalb intensiv untersucht. Im Gegensatz dazu stecken quantitative Messungen der Veränderungen in den Reibungs- und Wechselwirkungseigenschaften, die durch die Behandlung erreicht werden noch in den Anfängen. Unser Ziel ist hier, Methoden zu entwickeln, die es erlauben solche Eigenschaften zu untersuchen und damit die Basis für eine gezielte Optimierung von Haarpflegeprodukten zu bieten. Die wichtigsten aktiven Substanzen in Haarpflegemitteln sind kationische Polymere. In dieser Arbeit wurden drei der auf dem Markt käuflich erwerbbaren Polymere (Polyquaternium-10, Polyquaternium-87 und Jaguar C-13S) in Hinblick auf ihr Wechselwirkungsverhalten mit dem negativ geladenem Netzwerk der Haaroberfläche untersucht. Ein modifizierter Aufbau des so genannten Universal Oberflächen Testers lieferte Ergebnisse zu den Reibungseigenschaften von Haaren im Mikrometerbereich. Mit der Entwicklung einer neuen Messzelle und der Kalibrierung eines selbst konstruierten Messkopfes wurde das Instrument an das Haarfasersystem angepasst und optimiert. Das Material des Messkopfes (Styrol-Butadien-Kautschuk) wurde dem Material von herkömmlichen Kämmen angeglichen, um einen direkten Vergleich mit Ergebnissen, die aus der so genannte Kämmkraftmethode hervorgingen, zu ermöglichen. Der Schwerpunkt lag auf der Veränderung der auftretenden Reibungskräfte nachdem die Wirkstoffe auf das Haar aufgebracht wurden. Alle drei Polymere verursachten eine Reduktion der Reibungskräfte, die höchste konnte dabei dem Polymer Polyquaternium-87 zugeschrieben werden. Bei beiden Methoden werden jedoch viele verschiedene Wechselwirkungen detektiert, nämlich die Reibung zwischen den einzelnen Haaren, deren Verwicklungen untereinander, die Reibungen zwischen den kationischen Polymereren mit den Haaren und mit dem Kammmaterial und die Wechselwirkungen der Haare mit dem Styrol-Butadien-Kautschuk. Mit dieser Erkenntnis galt es einen Weg zu finden, der diese auftretenden Multikräfte voneinander separiert. Hierfür wurde der Aufbau eines Rasterkraftmikroskop so modifiziert um die Wechselwirkungen zwischen zwei einzelnen Haaren zu detektieren. In einem Rasterkraftmikroskop dienen mikrofabrizierte Blattfedern (Cantilever) als ultra-sensitive Kraftdetektoren, wodurch Kräfte im Bereich von 10^{-11} bis 10^{-5} N gemessen werden können. Um dieses Werkzeug zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen einzelnen Haaren zu nutzen, wurden mit einem Laser-Skalpell Haarfragmente passender Größe (~50 µm) zurecht geschnitten und an den Cantilever fixiert. Dadurch konnten die direkten Wechselwirkungs- und Reibungskräfte zwischen einem Haarfragment und einem weiteren, auf der Oberfläche immobilisierten Haar, gemessen werden. Zunächst lag der Fokus darin, die auftretende Adhäsionskraft zu charakterisieren und mit einem statistischen Ansatz zu quantifizieren. Mit einem Wert der Adhäsionskraft von 38.08 ± 11.60 nN war es möglich anhand eines Kontinuumskontaktmechanikmodells nach Johnson, Kendall und Roberts die daraus resultierende Adhäsionsenergie pro Kontaktflächeneinheit zu 0.1124 {mJ/ m² zu ermitteln. Dieser relative kleine Wert kann unter anderem darin begründet liegen, dass die eigentliche Kontaktfläche zwischen dem Haarfragment und dem Substrathaar in Wirklichkeit relativ ungewiss ist, da die Schuppen auf der Haaroberfläche einige Mikrometer lang sind und eine Höhe von mehreren hunderten Nanometern besitzen. Solche Größenordnungen sind für rasterkraftmikroskopische Untersuchungen von Wechselwirkungskräften riesig. es Weiteren wurde unter der eben erwähnten Aufbausmodifikation des Rasterkraftmikroskops ein Schwerpunkt auf die Ermittlung der auftretenden Reibungskräfte zwischen zwei einzelnen Haaren gelegt. Ein entscheidender Unterschied zu den vorangegangenen Messungen liegt darin begründet, dass die beiden Haare emph{in situ} mit den verschiedenen Polymeren behandelt wurden. Hierbei wurde einem Waschzyklus nachempfunden. Somit war es möglich nach der Behandlung mit den verschiedenen Polymeren die Änderung der Reibungskraft festzustellen. Die auftretende Reduktion der Reibung konnte in einem guten Einklang mit den Kämmkraftdaten gebracht werden. Genau wie bei diesen, erzielte das Polymer Polyquaternium-87 ein anderes Verhalten, verglichen zu den anderen beiden Polymeren. Bei den Einzelhaarmessungen wurde mit dem Polymer Polyquaternium-87 die geringste Reibungsreduktion gemessen. Ein Vergleich zwischen sogenannten Haptikprüftests und den Ergebnissen, die von den verschiedenen Messmethodiken dieser Arbeit erzielt wurden, eröffnet neue Wege solche Sinnestests physikochemisch zu quantifizieren.
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The reactivity of ferric (hydr)oxides towards dissolved sulphide
(2010)
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Katrin Hellige
- Ferric (hydr)oxides are ubiquitous with different characteristics such as stability, reactivity and surface properties and play an important role in redox reactions in many environments such as soils, marine sediments, lakes, and ground water. Under anoxic conditions, ferric (hydr)oxides are reduced by dissolved sulphide or by microorganisms. This reaction generates Fe(II) which may precipitate as iron hydroxide, adsorb to the ferric (hydr)oxide surfaces and transform the ferric (hydr)oxides into more stable minerals, or precipitate as iron sulphide. During the reductive dissolution adsorbed species like arsenic may be released from the oxide surfaces to solution. Furthermore, the generation of ferrous iron in ground water systems, their transport through the groundwater-surface water interface, and subsequent iron oxidation and precipitation contribute to the acidification of lakes or sediments as a result of both mining activities and natural processes. Hence, the redox reactions between dissolved sulphide and ferric (hydr)oxides are of fundamental importance for the elemental cycles of sulphur and iron and in particular for the carbon and electron flow in groundwater, soil, and lake systems. The overall chemical pathway of the reactions and their kinetics are reasonably understood. There is less knowledge on the transient stages and the electron transfer processes during the reactions which involve the formation of amorphous or disordered, as well as, nucleation of (metastable) crystalline phases at the reacting interface as a function of time. Furthermore, the interaction between dissolved sulphide and ferric (hydr)oxides can be regard as a key reaction ultimately leading to pyrite formation in both marine and freshwater sediments. However, the knowledge on the pathways and on the controlling factors of pyrite formation is still limited. Therefore this work focused on anoxic abiotic kinetic batch and flow-through experiments with various ferric (hydr)oxides and dissolved sulphide at pH 4 and pH 7. TEM, X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, and wet chemistry were used to explore the nanocrystalline products which formed over time during the reaction. Furthermore, these experiments should be contribute to the elucidation of the role of Fe2+ regarding the iron sulphide formation and the transformation of Fe(III) oxides. The electron transfer reaction between dissolved sulphide and ferric (hydr)oxides and the deeper insight into the processes occurring at the ferric (hydr)oxides surfaces were investigated in chapter 2 and 3. Batch experiments with dissolved sulphide and ferrihydrite, lepidocrocite, and goethite were performed under well-defined conditions at pH 7 and at room temperature in a glove box with a special emphasis on the characterization of nanocrystalline products forming at different time steps over a reaction time of 14 days. The temporal evolution of the chemical species and the solid phases indicate that the reaction progress was highly dynamic. After two weeks we observed the formation of secondary minerals and pyrite in all experiments as a result of excess-Fe(II) formation. Ferrihydrite was transformed completely via dissolution-precipitation processes into more stable minerals such as magnetite, hematite, pyrite, and into minor amounts of goethite. In the experimental solution with lepidocrocite and goethite the host mineral remained and we detected only pyrite as new mineral. Small amounts of goethite were transformed to hematite while the pyrite formation in the experimental solution with lepidocrocite was accompanied by traces of magnetite. In chapter 4, the reaction kinetic of dissolved sulphide and ferric (hydr)oxides were studied under abiotic, anoxic, and flow-through conditions at pH 4 and 7 and at room temperature over a time period of 6 hours. Various synthetic Fe(III) (hydr)oxides with a broad range of crystallinity and different surface and bulk properties were used in order to assess how variations in these properties influence the kinetics of chemical Fe(III) (hydr)oxide reduction. These experiments showed, as well as, the batch experiments, that the formation of Fe(II) and S(0) was decoupled. In the presence of ferrihydrite and lepidocrocite the generated Fe(II) due to the reaction with dissolved sulphide adsorbed to their surfaces and was accompanied by an electron transfer which led to the formation of excess-Fe(II). These processes seem to be accelerating the reductive dissolution of ferrihydrite and lepidocrocite by dissolved sulphide. Goethite behaved differ: the adsorption of Fe(II) onto the goethite surface occurred without an electron transfer. Thus, the generated Fe(II) controls the reductive dissolution of various ferric (hydr)oxides by dissolved sulphide.
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The effect of iron on the stability, water content and compressibility of mantle silicates – Implications for a hydrous Martian interior
(2010)
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Geertje Ganskow
- Summary This thesis addresses three different effects of Fe on the properties of nominally anhydrous transition minerals and dense hydrous Mg-silicates. Furthermore, the potential presence of dense hydrous Mg-Fe silicates (DHMS) in the Martian interior and the water storage potential of a hydrous Martian mantle are evaluated. 1. The effect of iron on the water content of ringwoodite The results show that the water contents of Fe-rich ringwoodites of about 0.4-0.7 wt% H2O are considerably reduced compared to pure Mg-ringwoodite. Thus, the ringwoodite samples show an inverse correlation of Fe- and water content. The Mg-site octahedra represent the favored protonation site in ferroan ringwoodites corresponding to the Mg2+=2H+ water substitution mechanism. In addition, Fe3+ diminishes the water content of ringwoodites due to the reduction of potential protonation sites. This is caused by the creation of Mg-site vacancies by the oxidation of Fe and the occupation of octahedral sites by Fe-atoms, which are probably not involved in water substitution mechanism. These results indicate that less water can be stored in nominally anhydrous mantle silicates of Fe-rich planetary mantles. 2. The effect of iron on the compressibility of hydrous ferroan ringwoodite The effect of Fe on the compressibility of ringwoodite is particularly important for the interpretation of the structure of Fe-rich planetary interiors such as the Martian mantle. Measurements at ambient conditions yield to unit-cell lattice parameters of a=8.1597(6) Å and V=543.28(13) ų (run 3854) and a=8.1384(3) Å and V=539.03(7) ų (run 4218). The P-V data were fitted with a second-order Birch-Murnaghan equation of state. The first pressure derivative of the bulk modulus, K´, was fixed to the value of 4 yielding to the following refined equation of state parameters: V0=543.32(7) ų and KT0=186.5(9) GPa (run 3854) and V0=539.01(5) ų and KT0=184.1(7) GPa (run 4218). Structural refinements indicate significant octahedral vacancies in sample 4218 due to the presence of 0.1 Fe3+ a.p.f.u. and the substitution of ~0.37 wt% H2O. The values of bulk modulus of (Mg,Fe)2SiO4-ringwoodites found in this study are very similar to that of the Fe-endmember ringwoodite, which suggests that the Fe substitution has little effect on the compressibility of ringwoodite. This also indicates that the close-packing of oxygens of the spinel structure is the major factor in determining its compressibility. This cannot be affected by the presence of up to 0.1 a.p.f.u. of vacancies. 3. The effect of iron on the stability of hydrous mantle silicates The transformation pressure of olivine to wadsleyite (simple Martian mantle composition) is lowered by 2 GPa. The shifts of stability fields toward lower pressures are possibly caused by the presence of Fe3+ and H2O. The shift of the olivine-wadsleyite transition would result in an extended upper mantle transition zone, compared to the anhydrous mantle, and consequently yield an increased water storage potential of the Martian mantle. The DHMS, phase D and superhydrous B (SHyB) show stabilities up to 1300°C at 23 GPa (phase D, MgFeSiO4+9.5 wt% H2O bulk composition) and for the simple Martian mantle composition up to 1450°C at 20.5 GPa (phase D and SHyB), which represents a higher stability of DHMS than previously reported. This suggests that phase D and SHyB are relevant DHMS in Fe-rich mantles of planetary systems. 4. The potential presence of dense hydrous Mg-Fe silicates in the Martian interior and the water storage potential of a hydrous Martian mantle This experimental study of mantle silicates indicates that the Martian mantle consists basically of upper mantle with olivine, garnet and pyroxene, as well as upper and lower transition zone build up by wadsleyite and ringwoodite together with pyroxene and majoritic-garnet, respectively. The water contents of wadsleyite with 0.6 wt% H2O and ringwoodite with 1.1 wt% H2O are reduced compared to the Mg-endmembers. The Martian transition zone, however, shows the largest water storage capacity since the upper mantle mineral olivine accommodates up to 0.3 wt% H2O. Pressure and temperature conditions at the core-mantle boundary are insufficient to reach the perovskite stability field, i.e. a lower Martian mantle cannot be expected based on the results of this study. These results imply that significant amounts of water can be stored in the Martian transition zone as well as the upper mantle. In addition, DHMS would be stable up to 1450°C at 20.5 GPa in a hydrous Martian mantle model. On the basis of thermal evolution models of the Martian mantle, and Fe partitioning data between mineral phases and melt it is discussed that DHMS may form in the Martian interior at P-T conditions corresponding to the lower Martian transition zone.
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The classification of isotrivially fibred surfaces with p_g=q=2, and topics on Beauville surfaces
(2010)
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Matteo Penegini
- In our thesis we treat mainly two topics: the classification of isotrivially fibred surfaces with p_g=q=2, and the construction of new Beauville surfaces. An isotrivially fibred surface is a smooth projective surface endowed with a morphism onto a smooth curve such that all the smooth fibres are isomorphic to each other. The first goal of this thesis is to classify the isotrivially fibred surfaces with p_g=q=2 completing and extending a result by Zucconi. As an important byproduct, we provide new examples of minimal surfaces of general type with p_g=q=2 and K^2=4,5 and the first example with K^2=6. We say that a surface S is isogenous to a product of curves if S = (C times F )/G, for C and F smooth curves and G a finite group acting freely on C times F. Beauville surfaces are a special case of surfaces isogenous to a product. In this thesis we include part of a joint work with Shelly Garion, in which we construct new Beauville surfaces with group G either PSL(2,p^e), or A_n, or S_n, proving a conjecture of Bauer, Catanese and Grunewald. The proofs rely on probabilistic group theoretical results of Liebeck and Shalev, and on classical results of Macbeath. The thesis is divided into three chapters, which are subdivided in several sections. In the first chapter we treat the problem of the classification of isotrivially fibred surfaces with p_g=q=2. We start by recalling some basic facts and theorems about fibred surfaces and surfaces isogenous to a higher product of curves. Then we solve the classification problem using techniques coming from both geometry and combinatorial group theory. In the second chapter we deal with Beauville surfaces. First we give a group theoretical characterization of them. Then we enunciate a theorem of Liebeck and Shalev that we use for the construction of Beauville surfaces with group A_n or S_n. Afterwards we also study Beauville surfaces with group PSL(2,p^e). In the third chapter we give a description of the locus, in the moduli space of surfaces of general type, corresponding to the surfaces isogenous to a product with p_g=q=2 described in the first chapter. Indeed, by the results proven by Catanese, this locus is a union of connected components, whose number can be computed using a theorem of Bauer and Catanese. In the same way we are able to provide an asymptotic result about the number of connected components of the moduli space corresponding to certain families of Beauville surfaces with group either PSL(2,p^e), or A_n, or (mathbb{Z}/nmathbb{Z})^2 as p and n go to infinity.
