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A survey of the higher Stasheff-Tamari orders
(2012)
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Jörg Rambau
Victor Reiner
- The Tamari lattice, thought as a poset on the set of triangulations of a convex polygon with n vertices, generalizes to the higher Stasheff-Tamari orders on the set of triangulations of a cyclic d-dimensional polytope having n vertices. This survey discusses what is known about these orders, and what one would like to know about them.
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An exact column-generation approach for the lot-type design problem
(2012)
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Sascha Kurz
Miriam Kießling
Jörg Rambau
- We consider a fashion discounter distributing its many branches with
integral multiples from a set of available lot-types. For the problem of
approximating the branch and size dependent demand using those lots
we propose a tailored exact column generation approach assisted by fast
algorithms for intrinsic subproblems, which turns out to be very efficient
on our real-world instances.
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Analyse von Condensin-Komplexen in Drosophila melanogaster Charakterisierung der Untereinheit CapG und Identifizierung von Interaktionen
(2012)
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Sabine Herzog
- Die akkurate Verteilung der Chromosomen während der Mitose ist essentiell für die genetische Stabilität der Zellen. Der heteropentamere Condensin-Komplex ist hierbei an der Strukturierung der Chromosomen und deren physikalischer Stabilität während der Segregation maßgeblich beteiligt. In höheren Eukaryoten konnten zwei dieser Komplexe (Condensin I und Condensin II) identifiziert werden, die ihrerseits eine distinkte subzelluläre Lokalisation während der Interphase und auch Beladung an das mitotische Chromatin aufweisen. Die beiden Komplexe haben die Structural maintenance of chromosomes (SMC) Untereinheiten SMC2 und SMC4 gemein, während sie sich in den nicht-SMC-Untereinheiten unterscheiden: In Condensin I findet man die Komponenten Chromosome associated protein D2 (CapD2), CapG und CapH und in Condensin II die verwandten Proteine CapD3, CapG2 und CapH2. Während in Vertebraten die Rolle beider Condensin-Komplexe während der Mitose klar etabliert ist, zeichnet sich in Drosophila melanogaster ein anderes Bild ab. Mutanten in den Genen CapH2 und CapD3 zeigen keine mitotischen Phänotypen und ein zu CapG2 homologes Protein konnte bisher nicht identifiziert werden. Da CapG aus Drosophila ein ähnliches Lokalisationsverhalten wie die Condensin II-Untereinheiten der Vertebraten aufweist, wird CapG als Komponente beider Condensin-Komplexe diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Funktion und die Regulation von CapG in Drosophila melanogaster, primär durch die Analyse von EGFP-fusionierten Proteinvarianten, näher untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der C-Terminus von CapG neben den hauptsächlichen Phosphorylierungsstellen auch Kernimportsequenzen enthält, welche die subzelluläre Lokalisation des Proteins während des Zellzyklus regulieren. Während der Interphase zeigt CapG im Zellkern eine Kolokalisation mit dem Heterochromatin-bindenden Protein HP1, was auf eine direkte Chromatinassoziation von CapG hinweist und mögliche Chromatin-strukturierende Funktionen bestätigen würde. Diese Heterochromatin-spezifische Lokalisation kann vom C-terminalen Drittel von Cap-G vermittelt werden, der andererseits für die generelle Chromatinassoziation während der Mitose, die Interaktion mit den anderen Condensin I-Untereinheiten und für die Funktionalität von CapG während der somatischen Mitosen entbehrlich ist. Da ein Proteinfragment entsprechend der N-terminalen Zwei-Drittel von CapG (CapG-NM) während der Interphase hauptsächlich zytoplasmatisch lokalisiert ist, kann die präferentielle Kernlokalisation von CapG während der Interphase, und auch die Phospho-Regulation des Proteins, für die Entwicklung vom Beginn der embryonalen zygotischen Expression bis hin zum adulten Stadium nicht essentiell sein. Die in dieser Arbeit nachgewiesene Lokalisation von CapG und anderen Condensin Untereinheiten in Geweben der weiblichen und männlichen Keimbahn legt die Vermutung nahe, dass CapG, eventuell im Kontext mit den anderen Condensin-Untereinheiten, eine Rolle bei der Gametogenese zukommt. Konsistent hiermit ist die Beobachtung, dass Weibchen steril sind, die in ihren Keimbahnzellen keine funktionelle CapG-Variante exprimieren. Die Integrität der Ovarien in diesen Tieren spricht für eine Funktion von CapG bei der Reifung des Oozytenkerns oder den meiotischen Teilungen. Die Präsenz von CapG in löslichen Komplexen mit den bekannten Condensin I-Untereinheiten konnte in dieser Arbeit durch Koimmunpräzipitationen mit nachfolgender massenspektroskopischer Bestimmung der assoziierten Proteine bestätigt werden. Eine Assoziation mit Condensin II-spezifischen Untereinheiten wurde dagegen nicht gefunden. Ebenso assembliert eine ektopisch exprimierte, funktionelle Variante von CapH2 nicht in einem löslichen Komplex mit CapG. Auch die Analyse direkter Protein-Protein-Interaktionen in einem in vitro-System ergab keine Hinweise auf eine Assoziation von CapG mit Condensin II-spezifischen Untereinheiten. Dagegen konnten in diesem System die Interaktionen nachvollzogen werden, die für Condensin I und Condensin II aus anderen Systemen publiziert und somit erwartet sind. Experimente zur genetischen Interaktion der Condensin-Untereinheiten offenbarten bei Anwesenheit von CapG-Mutationen eine Suppression des Phänotyps, der nach Überexpression von CapH2 in Speicheldrüsen erhalten wird. In einem reziproken Ansatz führten CapG-Mutationen zu einer Verstärkung des CapH2-mutanten Phänotyps in den Nährzellen von Ovarien. CapH2 und CapG scheinen also auf genetischer Ebene miteinander zu interagieren. Zusammengenommen legen die Ergebnisse ein Modell nahe, in dem CapG zwar nicht in direkter Assoziation mit Condensin II-spezifischen Komponenten vorliegt, aber parallel an der Strukturierung von Chromatin beteiligt ist und funktionell zum Teil mit den Aufgaben der Condensin II-spezifischen Komponenten überlappt.
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Aufbau und Mechanische Eigenschaften von Mischkomponent Polyelektrolytfilmen
(2012)
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Katja Trenkenschuh
- In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Themengebiete behandelt. Zum einen wurde der Aufbau und die Zusammensetzung der PE-Filme aus Ein-Komponent- als auch Misch-Komponent-Multilagen und zum anderen die mechanischen und die thermischen Eigenschaften der PE-Filme untersucht.
Das Schichtwachstum der PE-Filme wurde mittels der Ellipsometrie und QCM-D Methoden verfolgt. Die Oberflächentopographie wurde mit AFM untersucht. Messungen an Ein-Komponent-Systemen (PAH/PSS, PAH/PAA sowie PAH/PGA) haben gezeigt, dass die Adsorption eines starken PE auf der Oberfläche zur Ausbildung dünner, glatter Filme mit einer niedrigen Rauigkeit führt. Schwache PE dagegen bilden bei der Adsorption auf der Oberfläche viele Schlaufen aus, wodurch Filme mit hohen Schichtdicken entstehen, deren Oberfläche relativ heterogen und rau ist. Die Untersuchungen an PE-Filmen aus binären Lösungen, die sowohl starke als auch schwache PE enthalten (PAH/PAA-PSS und PAH/PGAx-PSS1-x), zeigten, dass die Schichtdicke und die Morphologie der Filme durch Variation der PE-Zusammensetzung genau angepasst und somit präzise kontrolliert werden können. Messungen ergaben, dass (PAH/PAA-PSS)-Filme mit wachsendem PSS-Anteil in der gemischten PA-Lösung zunehmend dünner und homogener werden. Nach 100 Doppellagen kann die Schichtdicke dieser Filme ohne Verwendung des zusätzlichen Salzes zwischen 31 nm und 392 nm und die Oberflächenrauigkeit zwischen 6 nm und 42 nm variiert werden. Außerdem wurde gezeigt, dass sich das Schichtwachstum der (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme mit der Erhöhung des molaren Anteiles der PGA Monomere in der PA-Lösung vom linearen zum exponentiellen ändert.
Ferner wurde mit Hilfe der UV-Vis und ATR-FTIR Spektroskopie die Filmzusammensetzung der (PAH/PAA-PSS)- und (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme bestimmt. Aus den Messungen ging hervor, dass die Verwendung der PE-Mischungen eine genaue Anpassung der Filmzusammensetzung ermöglicht. Im Fall des PAH/PAA-PSS Systems wächst die PSS-Menge im Film stetig mit steigendem PSS-Massenanteil in der PA-Lösung, wobei unter 70 Gew.-% PSS in der PA-Lösung die adsorbierte Menge an PSS im Film jeweils höher ist als der PSS-Anteil in der Lösung. Beim (PAH/PGAx-PSS1-x)-System steigt der molare PGA-Anteil im Film nahezu linear mit steigendem molarem PGA-Anteil in der gemischten PGA/PSS-Lösung (x). Es findet sich eine starke Adsorptionspräferenz von PGA über PSS für (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme mit x ≤ 0,5. Bei den Filmen mit x > 0,5 ist die Zusammensetzung des Filmes nah an der Zusammensetzung der Lösung.
Die Betonung bei dieser Arbeit lag auf der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der gemischten (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme. Die elastischen Konstanten dieser Filme wurden mit zwei Methoden untersucht: SIEBIMM-Methode und Colloidal-Probe-AFM-Technik. Aus den Messungen folgte, dass mit steigendem molarem Anteil der PGA Monomere in der gemischten PA-Lösung der resultierende PE-Film weicher wurde. Der Elastizitätsmodul ist um zwei Größenordnungen kleiner für Filme mit x ≥ 0,75 als für Filme mit x ≤ 0,5, wobei der Übergang bei einem Mischungsverhältnis von ca. x = 0,7 erfolgt. Es wurde gezeigt, dass durch die Änderung des molaren Anteiles an PGA Monomere in der PA-Lösung von 0,5 auf 0,75 die mechanischen Eigenschaften der (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme über einen weiten Bereich von 0,7 GPa bis 6 MPa variiert werden können.
Außerdem wurde mittels Colloidal-Probe-AFM in einer Luftfeuchtigkeitszelle am (PAH/PGAx-PSS1-x)-Film mit x = 0,88 der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die elastischen Eigenschaften untersucht. Es wurde gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften durch die Veränderung der relativen Luftfeuchtigkeit über einen weiten Bereich variiert werden können. Der Elastizitätsmodul kann von wenigen MPa bei der relativen Luftfeuchtigkeit von 80 % auf Hunderte von MPa bei der relativen Luftfeuchtigkeit von 12,5 % erhöht werden.
Kalorimetrische Untersuchungen an (PAH/PGAx-PSS1-x)-Komplexen liefern keine aufschlussreichen Ergebnisse. DSC Messungen haben lediglich gezeigt, dass es eine geringe Verschiebung in der Anfangstemperatur von -22,4°C auf -21,9°C mit steigendem molaren Anteil der PGA Monomere in PA-Lösung gibt. Für besseres Verständnis der thermischen Eigenschaften müssen bei diesem System noch weitere Untersuchungen, wie z. B. feuchtigkeitsabhängigen Messungen durchgeführt werden. Dadurch könnte das Quellverhalten dieser Filme näher untersucht werden.
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Beiträge zur Optimalen Steuerung partiell-differential algebraischer Gleichungen
(2012)
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Armin Rund
- Diese Arbeit liefert Beiträge zur Optimalen Steuerung partiell-differential algebraischer Gleichungen. Insbesondere werden Zustandsbeschränkungen bei der Optimalen Steuerung gewöhnlicher und partieller Differentialgleichungen sowie gekoppelter Systeme untersucht. Die verschiedenen Konzepte dieser Gebiete werden verglichen, übertragen und eingeordnet. Zentrale Ergebnisse sind die Übertragung der notwendigen Bedingungen nach Bryson, Denham und Dreyfus auf elliptische Optimalsteuerungsprobleme mit punktweisen Zustandsbeschränkungen, die Übertragung von Sprungbedingungen und Maßdarstellungen auf ein ODE-PDE beschränktes Optimalsteuerungsproblem mit Zustandsbeschränkungen bei niederdimensionalen aktiven Mengen, sowie die Entwicklung effizienter numerischer Methoden für komplexe Anwendungsprobleme. Die Beiträge dieser Arbeit gliedern sich in vier Kapitel, deren Aspekte jeweils zusammengefasst werden: Zunächst werden die Grundlagen aus der Optimalen Steuerung gewöhnlicher Differentialgleichungen mit Zustandsbeschränkungen wiederholt. Die beiden geläufigen notwendigen Bedingungen nach Jacobson, Lele und Speyer, sowie nach Bryson, Denham und Dreyfus (BDD-Ansatz) werden erläutert und in den Zusammenhang der Optimalen Steuerung partieller Differentialgleichungen gestellt. Dabei wird der Zusammenhang zwischen den Sprungbedingungen und dem Borel-Maß hergestellt. In Kapitel 2 wird der BDD-Ansatz auf ein Optimalsteuerungsproblem einer elliptischen partiellen Differentialgleichung mit punktweisen Zustandsbeschränkungen und verteilten aktiven Mengen übertragen. Die Idee dieses BDD-Ansatzes ist es, die Zustandsbeschränkung auf der aktiven Menge äquivalent in eine Steuerungs-Zustandsbeschränkung oder ggf. eine reine Steuerungsbeschränkung zu transformieren. Dies erlaubt die Herleitung neuer notwendiger Bedingungen. Durch die Transformation der Zustandsbeschränkungen gewinnen die zugehörigen Lagrange-Multiplikatoren an Regularität. Man erhält aus den neuen notwendigen Bedingungen ein Randwertproblem auf verschiedenen Gebieten mit Übergangsbedingungen. Das Interface zwischen den verschiedenen Gebieten stellt eine Optimierungsvariable dar. Eine notwendige Bedingung am Interface wird mit Techniken der Shapeoptimierung hergeleitet. Das Kapitel 3 behandelt Zustandsbeschränkungen bei gemischten ODE-PDE Problemen: Anhand eines zeitabhängigen Anwendungsproblems - des sogenannten Rocketcars - lässt sich eine vollständige Darstellung des Borel-Maßes auf niederdimensionalen aktiven Mengen angeben. In der Folge lassen sich Sprungbedingungen und weitgehende Regularitätsaussagen herleiten. Die explizite Massdarstellung ermöglicht weiterhin die Formulierung als Mehrpunkt-Anfangsrandwertproblem und den Einsatz angepasster Lösungsmethoden. Kapitel 4 widmet sich schließlich einem komplexen Anwendungsproblem eines OC-PDAE: Ein Brennstoffzellenmodell stellt uns vor ein Optimalsteuerungsproblem eines Systems von partiell-differentiell algebraischen Gleichungen. Es werden notwendige Bedingungen hergeleitet und direkte sowie indirekte (adjungierten-basierte) Methoden der Optimalen Steuerung entwickelt und verglichen. Numerische Experimente bestätigen die Effizienz der vorgestellten Methoden. Insbesondere das indirekte Quasi-Newton-Verfahren erlaubt eine zeitadaptive optimale Steuerung der Brennstoffzellenanlage mit hoher Genauigkeit und unter geringer Rechenzeit.
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Beyond productivity- Effects of extreme weather events on ecosystem processes and biotic interactions
(2012)
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Julia Walter
- Under global climate change, extreme weather events, such as heat waves, drought or heavy rain spells, are projected to increase in magnitude and frequency. As these may affect vegetation and ecosystems more than gradual shifts in mean climatic parameters, investigating the consequences of extreme weather events recently became an important issue in climate change research. The main focus of most experiments investigating effects of extreme weather events on vegetation is on primary productivity. In our experiment in artificially planted communities, even an extreme drought of 1000-year recurrence did not have effects on above- or below-ground biomass production from 2005-2010.
Thus, the main objectives of this thesis were (1) to investigate if extreme weather events have an effect on ecosystem functions beyond productivity, (2) to test if such a high resistance or resilience in response to drought regarding productivity also exists in more naturally grown plant communities and (3) to further elucidate possible mechanisms of the surprisingly large stability of the plant communities.
To investigate these objectives, several experimental studies were conducted in artificially planted, as well as in naturally grown grassland communities and consequences of extreme weather events for ecosystem processes, such as decomposition and herbivory were investigated. In a pot experiment, it was studied, if grass plants react improved towards repeated drought when compared to a first drought and thus reveal a kind of drought memory. Such a memory might be one possible, but up until now widely neglected mechanism of resilience.
Even though biomass production remained stable in our experiment in artificially planted communities, biomass quality was severely affected by extreme drought, thereby strongly affecting the development of a herbivore caterpillar feeding on drought-exposed leaves. Further, plant compounds of the host plant depended on the composition of the plant community it was grown in. This in turn resulted in strong effects on the larval mortality of herbivores feeding on such plants.
In contrast to the study in artificially planted communities, aboveground net primary productivity (ANPP) was reduced in naturally composed grassland in response to extreme rainfall variability, including an extreme drought followed by heavy rainfall. Forage quality was altered by drought. Furthermore, mowing frequency strongly altered forage quality and biomass production, but did not interact with rainfall variability and thus did neither buffer, nor amplify effects of extreme rainfall variability. Despite effects of rainfall variability on ANPP, grassland showed high resilience after drought followed by heavy rain, as effects were large shortly after the extreme event, but did not persist until a second harvest later in the year.
In natural grassland, rainfall variability and drought also affected ecosystem processes, here litter decomposition, beyond productivity. Drought followed by heavy rain pulses decreased decomposition rates. Decomposition in more frequently mown meadows was more vulnerable towards drought exposure. Winter warming and additional winter rain had no long-term effect on decomposition. To conclude, projected increases in drought frequency under climate change may inhibit decomposition and alter nutrient and carbon cycling along with soil quality in temperate grassland, whereas a reduction of snow cover leading to more variable soil surface temperatures may counteract increased decomposition under winter warming.
In this thesis, an ecological stress memory as one possible mechanism of resilience is defined as any response of a single plant after a stress experience that improves the reaction of the plant towards future stress experience and which is assessed on a whole plant level. This thesis further provides evidence of a drought memory in grass plants: Plants repeatedly subjected to drought showed improved photo-protection and a higher rate of living biomass when compared to plants faced with their first drought. Similarly, tree seedlings exposed to drought in summer revealed higher frost resistance during winter, providing evidence of a long-lasting “cross-stress-memory” .
To sum up, the thesis shows that extreme weather events, even though neither severely affecting biomass production in artificially composed, nor in naturally growing communities in the long-term, exert strong influence on physiological or biogeochemical parameters, such as plant compounds or soil biotic activity. These changes in turn modify ecosystem functions beyond productivity, for example herbivory or decomposition, possibly altering biotic interactions and nutrient cycling. Furthermore, the findings imply that plants exhibit a stress memory after stress exposure, which may be one mechanisms leading to a high stability and resilience upon frequent stress.
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Biochemical and structural characterization of Sirtuins from mammals and Thermotoga maritima
(2012)
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Mahadevan Lakshminarasimhan
- Sirtuins are NAD+ dependent protein deacetylases involved in regulation of metabolism, age related diseases and are suggested to mediate lifespan extending effects of calorie restriction. Mammals contain seven Sirtuin soforms with various cellular localizations and substrate preferences. This work focuses on the structural and biochemical characterization of several mammalian Sirtuin isoforms, with main emphasis on the largest member of the family, Sirt1.Analysis of various Sirt1 constructs using analytical ultracentrifugation and electron microscopy techniques identified it to be a monomer, similar to other mammalian isoforms. Comparison of activity between different Sirt1 constructs indicates that the termini might be involved in regulating the protein’s activity. It could be shown that the catalytic domain of Sirt1 is sufficient for its activation by the lifespan extending polyphenol resveratrol and that resveratrol can directly bind to Sirt1. Using a peptide array harboring all known mammalian acetylation sites several novel substrates for Sirt1 were identified and shown that resveratrol and other small molecules can modulate Sirt1 dependent deacetylation of substrate peptides and that the effect is specific for the sequence of the substrate site. This finding reveals exciting possibilities for the development of new modulators targeting only specific substrates of Sirt1. These compounds can further be used in analyzing the functions of Sirtuins in vivo and can also serve as attractive leads for developing Sirt1 specific drugs. Studies on the mitochondrial isoform Sirt3 revealed that Zinc is essential for the structural integrity of Sirtuins. Investigations on Sirt5, also a mitochondrial Sirtuin appears to indicate that it is insensitive to nicotinamide (a physiological inhibitor of Sirtuins). Studies on the nucleolar isoform Sirt7 identified Thr224 to be phosphorylated, and play a role in the enzyme’s activity. The thermotoga maritima Sirtuin Sir2Tm was used as a model system for structural characterization of Sirt1. The crystal structure of Sir2Tm in complex with Ex-527, a potent Sirt1 inhibitor was solved, which combined with biophysical studies offers information about Ex-527 binding and inhibition. Close contacts between Ex-527 and some form of ADP-ribose, possibly the product O-acetyl-ADP-ribose (which is not yet fully verified) in the closed enzyme conformation prevent the release of products, thereby stalling the enzymatic reaction. These results offer insights into the isoform specific inhibition of Sirtuins by Ex-527 and provide information for further improvement of Sirt1 specific inhibitors.
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Budget and fluxes of nitrogen in mountainous agroecosystems in a summer monsoonal climate under intensive land use
(2012)
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Janine Kettering
- A balanced nitrogen (N) cycle in intensively managed ecosystems is necessary as it underpins other ecosystem services. This study evaluated the agricultural practices in a typical mountainous catchment in South Korea in respect to N dynamics and their potential effect on water quality with the aim to develop options for a more sustainable catchment management.
In the 1st study, we used two approaches to calculate N budgets for the 5 key crops of the basin at the field scale. The gross and net N budgets for all crop types were found to be positive. Based on the small differences between the results of the two approaches we identified fertilizer N as well as soil Nmin as the dominant N input sources. As fertilizer N application was the major N input source (>50%), its reduction is the major scope of action for N savings at the field scale. A closely linked action is the synchronization of fertilizer N with soil Nmin. The large amount of fertilizer that is applied prior to planting (>60%) at the beginning of the monsoon season revealed that split applications could help reducing the fertilizer N additions and increase the low N use efficiencies (NUE). Based on the significant differences between gross and net N surplus for rice and bean fields, we identified the high amount of plant residues remaining after harvesting (>100 kg N ha-1) as a further factor for potential N savings. The 5 main crops accounted for over 80% of the total catchment N surplus (>400 Mg), even though their contribution to the area was only around 20%. A land use shift to perennial crops with lower N inputs was therefore found to be a possible but spatially limited chance to reduce N surpluses at the catchment scale. The comparison of catchment N surplus with stream N export revealed that 73-86% of the agricultural N surpluses were transported to water bodies in the catchment by either leaching or surface runoff.
In the 2nd study, we followed the fate of fertilizer N in a ridge and furrow (R/F) cultivation with polyethylene (PE) mulch by using 15N tracer. N leaching was simulated with Hydrus 2D. The comparison of 4 N fertilization levels (0, 150, 250 and 350 kg N ha-1) revealed that already 150 kg N ha-1 is sufficient to reach the maximal yield of radishes. Based on the low results of fertilizer N use efficiency (FNUE), we recommend two applications during the first 25 days of growth and a further application around day 50. These split applications adjusted to the plants’ needs increase the FNUE of the radish and decrease the fertilizer N losses during the growing season. However, split applications might be impractical in plastic covered R/F cultivations because mechanical equipment to apply fertilizer under the PE mulch is required. Based on the finding that 15N retention in soil and nitrate concentration in seepage water decreased similarly for ridges and furrows during the entire growing season, we conclude that the PE mulch had no significant effect on 15N retention in soil and on nitrate concentration in seepage water and did therefore not effectively protect the fertilizer in the ridges from percolation. Based on the simulation results, we found that the ridges and furrows contributed approximately an equal amount of leached N to the total amount. We therefore conclude that the PE mulch provided little protection for the fertilizer N in the ridges during heavy rainfall. N leaching amounts were further found to increase linearly with an increase in N addition rate as it is well known for R/F cultivations without PE mulch. The PE mulch did therefore not prevent the linear increase in leaching with an increase in fertilizer N addition. We summarize that without the use of additional measures such as split applications of fertilizer, the application of PE mulch in a summer monsoon climate with heavy rainfall events does not positively influence the N leaching rates.
In the 3rd study, we monitored soil water dynamics in the field and used this data set to simulate the influence of PE mulch on water fluxes with Hydrus 2D. We simulated soil water dynamics in 1) conventional flat tillage (CT); 2) R/F cultivation without PE mulched ridges (RT); and 3) R/F cultivation with PE mulched ridges (RTpm). The comparison of the simulated pressure heads during dry and wet periods revealed that the PE mulch induced significant soil moisture patterns only during the dry periods. During monsoon events, the effect of the PE mulch was dependent on the soil texture and the hydraulic conductivity. Summarizing the advantages and disadvantages of the R/F cultivation with PE mulch on sloped fields, the practice was observed to have the lowest amount of drainage water, the lowest evaporation rates but also the highest surface runoff rates. Hence, PE mulching might be assessed as a tool to reduce percolating water, but it concurrently increases water contribution to the river network by surface runoff.
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Charakterisierung und Funktionalisierung von Filmen aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen
(2012)
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Kristina Spieß
- Spinnenseide stellt aufgrund ihrer mechanischen und chemischen Eigenschaften ein faszinierendes Protein-basiertes Material mit Potential für vielfältige Anwendung in technischen und biomedizinischen Bereichen dar. Rekombinant hergestellte Spinnenseidenproteine können neben der natürlichen Assemblierungsform des Fadens zu diversen Morphologien, wie Vliesen, Mikropartikeln, Kapseln oder Filmen verarbeitet werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Filme aus dem rekombinant produzierten Protein eADF4(C16) umfassend charakterisiert. eADF4(C16)leitet sich von der repetitiven Kerndomäne des Proteins ADF4 ab, welches ein Hauptbestandteil der sog. dragline Seide der Europäischen Gartenkreuzspinne Araneus diadematus ist. Der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf bestimmte Eigenschaften des resultierenden Films wurde systematisch untersucht. Die Variablen umfassten dabei die Wahl des Lösungsmittels zum Gießen des Films (Hexafluoroisopropanol, Ameinsensäure sowie ein wässriger Puffer), die Art der Nachbehandlung (Methanol bzw. Ethanol sowie Kaliumphosphatlösung), sowie die relative Luftfeuchtigkeit. Alle Parameter zeigten dabei einen Einfluss auf die Sekundärstruktur der Proteine im Film. Zusätzlich wurden die thermische, chemische und mechanische Stabilität der Filme sowie ihre Oberflächeneigenschaften analysiert. Während sich alle untersuchten Filme kaum in ihrer thermischen Stabilität unterschieden, zeigte sich ein deutlicher Einfluss des verwendeten Lösungsmittels und der Nachbehandlung auf das mechanische Verhalten der Filme unter linearer Zugbelastung. Chemische und mechanische Eigenschaften konnten mit der Sekundärstruktur-Zusammensetzung korreliert werden. Aus Zugversuchen, DMA sowie einer Kombination aus linearer Zugbelastung und gleichzeitiger FTIR-Analyse konnte geschlossen werden, dass das verwendete Lösungsmittel nicht nur die Zusammensetzung der Sekundärstruktur beeinflusst, sondern auch die Vernetzung/Anordnung der einzelnen Strukturelemente. Dieser Einfluss überdauerte auch die Nachbehandlung der Filme. Alle untersuchten Nachbehandlungsarten führten zu einer Erhöhung des beta-Faltblattanteils. Allerdings konnte ein Effekt der gewählten Methode auf die Oberflächenbeschaffenheit der nachbehandelten Filme festgestellt werden: Die jeweiligen Filme unterschieden sich sowohl in ihrer Topographie als auch in ihrer Hydrophobizität. Für viele Anwendungen sind zusätzliche Funktionalisierungen vorteilhaft. Hierfür wurde die Methode der post-translationalen chemischen Kopplung gewählt.Um eine chemisch spezifische Reaktionsstelle bereitzustellen, wurden Cystein-Mutanten des Proteins eADF4(C16) hergestellt. Drei verschiedene Proteinvarianten wurden gereinigt und charakterisiert. Die Untersuchung ihrer Sekundärstruktur in Lösung und in assemblierten Filmen ergab keine signifikanten Änderungen im Vergleich zu dem Cystein-freien eADF4(C16). Zusätzlich konnten die Proteine sowohl in Lösung als auch nach Filmbildung in einer spezifischen Reaktion mit hoher Effizienz modifiziert werden. Um die Variabilität der Funktionalisierung zu zeigen, wurde die kovalente Kopplung von Fluorescein, Biotin und Nanogold durchgeführt. Des Weiteren konnte das Enzym Galaktosidase unter Beibehaltung seiner Aktivität immobilisiert werden. Für spätere Zellkulturanalysen wurde zudem eine RGD-Sequenz in Form eines zyklischen Peptids gekoppelt, die eine Integrin-vermittelte Zelladhäsion ermöglicht. Im Hinblick auf potentielle Anwendungen der rekombinanten Spinnenseidenfilme als Beschichtung wurden die Oberflächeneigenschaften der jeweiligen Filme analysiert. Dabei zeigte sich, dass besonders die Benetzbarkeit bzw. Hydrophobizität der Filmoberfläche in Abhängigkeit des verwendeten Substrats variierte. Auf hydrophoben Materialien (Polystyrol und Teflon) wiesen dünne Filme eine hydrophile Oberfläche auf, während Filme auf Glas hydrophobe Eigenschaften zeigten. Gleichzeitig konnten Unterschiede in der Sekundärstruktur der Filme nachgewiesen werden. In Anlehnung an Theorien für Block-Copolymere wurde ein Modell über eine mögliche Anordnung der Strukturelemente in diesen Filmen aufgestellt, um die beobachteten Oberflächeneffekte zu erklären. Natürliche Seidenmaterialien stellen aufgrund ihrer guten Biokompatibilität und ihrer biologischen Abbaubarkeit auch interessante Kandidaten für biomedizinische Applikationen dar. Daher wurde die biologische Verträglichkeit der rekombinanten Spinnenseidenfilme in vitro untersucht. Erste Ergebnisse ergaben eine gute Verträglichkeit des Materials; so adhärierten Prä-Osteoblasten (MC3T3-E1) auf den Filmen und konnten über mehrere Tage kultiviert werden. Das verwendete Lösungsmittel und die Nachbehandlungsart beeinflussten signifikant das Resultat, was möglicherweise auf die unterschiedliche Oberflächenchemie und -topographie zurückzuführen ist. Während die Adhäsion der Zellen auf nicht-modifizierten Filmen schwach war, konnte diese durch Kopplung der spezifischen Zelladhäsions-Sequenz c(RGDfK)verbessert werden.
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Copper exposure of freshwater mussels (Anodonta anatina): Some physiological effects
(2012)
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Andhika Puspito Nugroho
- Copper (Cu), a transition metal, has the tendency to increase in its concentration in freshwater ecosystems over natural levels, due to industrial and other anthropogenic sources. In water, copper can exist in dissolved form or associated with suspended food particles. Freshwater mussels living at the interface of the free-flowing water and the sediment phase can take up copper directly from the water or by consumption of lower trophic level organisms laden with copper. For mussels, copper is essential at low concentration as cofactor of metalloenzymes involved in growth regulation and development, but it may be toxic at higher levels by disturbing calcium (Ca) homeostasis. The duck mussel Anodonta anatina is a freshwater species found in abundance in limnic and lotic European ecosystems and is used as test organism in ecotoxicological studies. The potential involvement of Cu in the general decline of many European freshwater mussel species is the major motivation for this work. This research aims to study the relevance of Cu exposure pathways on its uptake, distribution, bioaccumulation, and elimination in the freshwater mussel A. anatina and its various potential physiological impacts. The work is started with raising Cu-loaded algae using the stable isotope 63Cu as marker for feeding of mussels without affecting the nutritional value of the algal food. In these latter experiments, mussels are exposed to 63Cu via water or via food to investigate the relative importance of Cu uptake to its distribution and accumulation among the mussel’s organs. Its consequences on calcium homeostasis, soluble carbohydrate and protein levels in various tissues, metallothionein induction, glutathione levels, activities of antioxidative enzymes and glutathione reductase, and on lipid peroxidation are examined. In the algal experiment, Parachlorella kessleri is grown at six 63Cu concentrations (0, 5.9, 11.7, 23.5, 47, and 94 µmol L-1) for 4 days, starting from day 3. When exposed to Cu at a level of up to 6 µmol L-1, P. kessleri is largely unchanged in its nutritional values; so this concentration is used to grow 63Cu-carrying food for mussel experiment. Concentrations above 6 µmol L-1 decrease significantly in the algal growth and alter the other physiological parameters. Three groups of 21 mussels each are used, one as control and two for exposure, receiving copper as the stable isotope 63Cu via the water at 0.3 µmol L-1 or via the food (1.5 mg L-1 freeze-dried Cu-loaded algae, equivalent to 0.06 µmol L-1 Cu) for 24 days, followed by 12 days of depuration. For analysis, three mussels each are taken randomly from every group at days 0, 6, 12, 18, 24, 30, and 36. The mussels are anaesthetized and hemolymph and extrapallial fluid are sampled before the mussels are dissected into gills, mantle, kidney, digestive gland, foot, adductors, intestines, and the remainder (gonads, heart, and labial palps). During copper exposure, the levels of exogenous copper (63Cu) and total Cu increase in all body compartments. Uptake via the water leads to higher Cu levels than via the food, but in relative terms food uptake is more efficient taking the five-fold lower nominal concentration of copper into consideration. Upon exposure via the water, the metal is compartmentalized mainly in the mantle, the gills, and the digestive gland, upon exposure via the food the major recipients are the digestive gland and the intestines. Upon depuration for two weeks, copper is quickly but not completely eliminated. Simultaneously with increasing Cu levels, Ca levels are increased in all body compartments, accompanied by decreases in soluble carbohydrates and proteins in the gills, mantle, digestive gland, and kidney. At the same time, Cu exposure results in increases in malondialdehyde levels, decreases in glutathione levels, strong increases in metallothionein levels, and changes in the activities of the antioxidative enzymes superoxide dismutase, catalase, and glutathione peroxidise, and of glutathione reductase in the gills, mantle, digestive gland, and kidney. During depuration, most parameters tend to normalize but do not return to control values. In conclusion, the overall pictures suggest that the considerable physiological stress elicited by low-level copper exposure may contribute to the factors involved in the decline of many European freshwater mussels.
