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Coordinated Tree Responses to Drought -Vulnerability and Sustainable Production: Hypotheses on Arid Ecosystem Adjustments to Limitations in Water Resources
(2004)
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Dennis Otieno
- Field and controlled greenhouse experiments were carried out to investigate tree responses to declining soil water content. Field experiments were conducted on naturally growing trees of Acacia tortilis and A. xanthophloea in the savanna region of Kenya and Quercus suber in the Mediterranean region of Portugal. The selected field sites were regions that experience regular drought periods during the year. Greenhouse experiments constituted two watering regimes. Seedlings of A. tortilis and A. xanthophloea grown from seeds initially obtained from the Kenya field site were raised and arranged on a greenhouse bench into two groups per species. The first set of plants were watered every other day (controls) while the second set were watered every seven days (water stress treatments). Field measurements included weather parameters, soil and plant water status, growth, sap flux density, leaf transpiration and stomatal conductance, tissue water relations and isotope labeling. Similar measurements were conducted on plants growing in the greenhouse. Also examined in the greenhouse were root biomass, root structure as well as whole plant biomass accumulation. A second set of experiments was carried out in the greenhouse by subjecting plants initially stressed and non-stressed to severe water stress by withholding water until plants were wilted overnight. The wilted plants were then re-watered regularly and their recovery after stress alleviation was monitored. Declining soil water content significantly affected plant water status in all the trees studied. Lowest psi pd recorded during the study period occurred in the month of June and were –2.0 and –1.1 MPa for A. xanthophloea and A. tortilis respectively. The same species subjected to repeated water stress in the greenhouse attained mean minimum psi pd of –2.4 and –1.2 MPa for A. xanthophloea and A. tortilis respectively at the end of the drying cycle. Mean minimum psi pd recorded for Q. suber during summer was –1.8 MPa and occurred in September. There were however, significant differences among trees. Decline in psi associated with increasing soil drought led to decline in leaf initiation and leaf expansion and both processes ceased at higher water stress levels. For the Acacia species, even leaf shedding occurred at higher stress levels. There was also a decline in stomatal conductance (gs) during water stress, leading to decrease in transpiration rates (E). Maximum stomatal conductance of 340 mmol m-2 s-1 were observed during rainy seasons for the Acacia trees while mean maximum values of 300 mmol m-2 s-1 were recorded for Q. suber when soil moisture conditions were favorable. Stomatal conductance declined by 31%, 67% and 67% in A. tortilis and A. xanthophloea in the savanna and Q. suber in the Mediterranean regions respectively. Daily tree water use (Qtree) as well as leaf transpiration reflected changes in psi and gs. Root to leaf hydraulic conductance equally declined with increasing soil drought. Q. suber trees adjusted osmotically by a magnitude of 0.7 MPa, while bulk modulus of elasticity (epsilon) increased by a magnitude of 17 MPa. Osmotic adjustment of 0.48 MPa was observed in greenhouse plants of A. tortilis while epsilon declined by a magnitude of 7 MPa in A. xanthophloea. A. tortilis plants in the greenhouse showed increased absolute root growth, root depth and root:shoot (r:s) ratio. The dimorphic rooting pattern in Q. suber resulted into hydraulic lift and this could as well occur in A. tortilis because of similarity in their rooting patterns. Most plant responses were reactionary and were aimed at enhancing soil water uptake and reducing transpiration water loss when soil water content was declining. Similar responses were observed for both greenhouse and naturally growing field plants of the same species. Decline in leaf initiation and leaf expansion as well as leaf senescence reduced tree crown size hence potential tree transpiration. This however, had negative impact on plant productivity. Increased root growth as well as osmotic adjustment increased tree water uptake from the soil. The balance between root water uptake and leaf transpiration through growth and stomatal regulation was aimed at protecting xylem integrity. The overall results showed that soil characteristics, root activities and root distribution patterns are the main factors determining tree functioning and productivity in drylands, while the coordinated interaction between the aboveground shoot and belowground root activities ensures survival during drought. Maintained production and survival will ensure distribution and success in the arid environments. Repeated water stress imparted water stress resistance qualities on seedlings enabling them to survive longer during severe stress. The study emphasizes the role of soil resource base as well as species interactions in the functioning and balance of dryland ecosystems.
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Totalsynthese von Yahazunol und Untersuchungen zur Synthese von Siphonodictyal C
(2004)
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Thorsten Laube
- Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese der beiden 12-Nordrimane (+)-11-Hydroxy-12-nordrim-9,11-en-8-on und (+)-(8S)-12-Nordriman-8,11-diacetat, dem Sesquiterpenaren Yahazunol sowie Untersuchungen zur Synthese von Siphonodictyal C. Die zentrale Ausgangsverbindung für die Synthese dieser marinen Naturstoffe ist (±)-8-Oxo-12-nordriman-11-säuremethylester, der über eine dreistufige Synthese ausgehend von beta-Ionon erhalten werden kann. Mit Hilfe von (2R,3R)-2,3-Butandiol bzw. (2S,3S)-1,4-Di-O-benzylthreitol ist man in der Lage, die Enantiomeren von (±)-8-Oxo-12-nordriman-11-säuremethylester in Diastereomere zu überführen und diese nach Reduktion bzw. Debenzylierung chromatographisch zu trennen. Nach Abspaltung der Schutzgruppen erhält man (+)- bzw. (–)-11-Hydroxy-12-nordriman-8-on bzw. (+)- bzw. (–)-8-Oxo-12-nordriman-11-säuremethylester. Ausgehend von diesen Produkten konnten die beiden 12-Nordrimane (+)-11-Hydroxy-12-nordrim-9,11-en-8-on und (+)-(8S)-12-Nordriman-8,11-diacetat erstmals enantiomerenrein synthetisiert werden. Siphonodictyal C enthält eine Doppelbindung in Pos. 7,8 des Drimanteils. Diese kann durch Umlagerung der 8,12-Doppelbindung erhalten werden. Durch Reduktion von (±)-Albicansäuremethylester, der durch eine Wittig-Reaktion aus (±)-8-Oxo-12-nordriman-11-säuremethylester erhältlich ist, mit Hilfe von DIBAl-H erhält man (±)-Albicanol, das in Gegenwart der Lewis-Säure BF3*Et2O durch eine 1,3-Hydridverschiebung (±)-Drimenol ergibt. Durch Oxidation mit PCC erhält man schließlich (±)-Drimenal. Der zweite Baustein von Siphonodictyal C lässt sich ausgehend von Sesamol synthetisieren. Die freie OH-Gruppe von Sesamol wird mit MEM geschützt und Bromierung liefert schließlich 6-Bromsesamol-MEM-ether. Durch einen Br-Li-Austausch mit n-BuLi bei –100o C erhält man den lithiierten Aromaten, der mit (±)-Drimenal zu den diastereomeren Benzylalkoholen umgesetzt wird. Durch Behandlung mit PTS bei 40o C kommt es zur benzylischen Dehydratisierung und das Alkylidencyclohexadienon wird gebildet. Dieses lässt sich durch Reduktion mit NaBH4 zum entsprechenden Phenol reduzieren, welches anschließend mit DMS methyliert wird. Der nächste Schritt war die Umsetzung mit n-BuLi/DMF, um die Formylgruppe in Pos. 3´ des Aromaten einzuführen. Die abschließende Abspaltung der Schutzgruppen führte nicht zum Erfolg. Auch die Verwendung anderer Schutzgruppen verlief ergebnislos, da hierbei große Probleme bei der Kupplung, der Formylierung und der Schutzgruppenentfernung auftraten. Deshalb wurde die Synthese von Siphonodictyal C auf dieser Stufe beendet. Behandelt man (+)-11-Hydroxy-12-nordriman-8-on mit PTS bei 50o C, so erhält man das alpha,beta-ungesättigte Keton. Dieses ist nun in der Lage mit einem Cuprat in einer 1,4-Michael-Addition zu reagieren. Das benötigte Cuprat erhält man aus dem Grignardreagenz 2,5-Dibenzyloxyphenylmagnesium-bromid und CuI. Das bei der Reaktion entstehende Enol lässt sich durch Zugabe von Acetylchlorid als Enolacetat abfangen. Durch alkalische Verseifung erhält man das 12-Norsesquiterpenaren und durch anschließende Wittig-Reaktion (+)-Zonarol-dibenzylether. Die in Yahazunol enthaltene äquatoriale Hydroxygruppe in Pos. 8 lässt sich durch Epoxidierung der exo-cyclischen Doppelbindung von (+)-Zonaroldibenzylether und anschließende reduktive Öffnung des Epoxids mit LiAlH4 einführen. Der letzte Schritt in der Synthese war die Abspaltung der beiden Benzylschutzgruppen. Dies geschah hydrogenolytisch mit Palladium als Katalysator. Yahazunol konnte mit einer Ausbeute von 61 % erhalten werden. Die spektroskopischen Daten und der Drehwert der synthetisierten Verbindung stimmten mit denen der isolierten Verbindung gut überein.
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Biogeochemistry of Organotin and Organolead compounds in a Forested Catchment in NE-Bavaria, Germany
(2004)
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Jen-How Huang
- Organotin-compunds (OTC) and Trimethyllead (TML) have a higher toxicity than their corresponding inorganic forms and may affect the functioning of ecosystems. Little is known about their behaviour and fate in the terrestrial environment. The goal of this thesis was to investigate the biogeochemistry of OTC (methyltin, butyltin and octyltin compounds) and TML in a forested catchment, especially their input and output budget. The occurrence of OTC, TML, Sntotal and Pbtotal in the atmosphere, soils, precipitation, and runoff in a forested ecosystem in NE-Bavaria, Germany were investigatedand the inputs and outputs in the solute phase determined. In addition, their ad-desorption and transformation (degradation) in forest soils was studied using batch experiments and long term incubations, respectively. OTC and TML concentrations in the gas phase during April to June 2003 was on average 110 pg Sn m–3 and 0,34 pg Sn m–3. Tri-, di-substituted and octyl species were the dominant OTC in the gas phase. In aerosols, only butyltin compounds, dimethyltin and monomethyltin (<500 pg Sn m–3) were found and mono-substituted OTC predominated. For OTC, the washout factors were in the order: mono- >= di- > tri-substituted OTC, and the gas / particle partition coefficients were mono- >> di- >> tri-substituted OTC. Aerosol particles serve as a sink for OTC in the atmosphere, especially for monomethyltin and monobutyltin. From August 2001 to August 2002, the concentrations of tin and lead compounds in precipitation were in the order: fog > throughfall > bulk precipitation. Average concentrations of OTCtotal ranged from 57 ng Sn l–1 in fog to 5.8 ng Sn l–1 in bulk precipitation. The concentrations of Sntotal were between 490 ng Sn l–1 in fog and 140 ng Sn l–1 in bulk precipitation, on average. Average concentrations of TML were 1 ng Pb l–1 in fog and 0.1 ng Pb l–1 in bulk precipitation and 9.6 and 0.76 micro-g Pb l–1 in case of Pbtotal. The annual total deposition from the atmosphere, estimated as throughfall + litterfall fluxes, amounted to 3.7 mg Pb ha-1 yr-1 for TML and 52 g Pb ha-1 yr-1 for Pbtotal. The contribution of litterfall was 1.5% and 32%, respectively. The annual total deposition of OTCtotal was 172 mg Sn ha–1 yr–1, with 26% represented by litterfall. The total deposition of Sntotal was 4.9 g Sn ha–1 yr–1, of which 4.1% was litterfall. The annual flux with runoff from the catchment was 0.5 mg Pb ha-1 yr-1 for TML and 2.8 g Pb ha-1 yr-1 for Pbtotal. The annual runoff of OTCtotal and Sntotal amounted to 25 mg Sn ha–1 yr–1 and 2.4 g Sn ha–1 yr–1, respectively. The mass balance showed high retention of tin and lead compounds in the catchment. The total soil storage of OTCtotal and Sntotal in the catchment were 6.7 g Sn ha–1 and 1.9 kg Sn ha–1. Total soil storage in the catchment was 11.6 mg Pb ha-1 for TML and 222 kg Pb ha-1 for Pbtotal. The dominance of mono-substituted compounds in precipitation is well reflected in the concentrations and storages of OTC in both upland and wetland soils. More than 90% of the soil storage of TML was found in the wetland soils of the catchment representing only 30 % of the area. Most Pbtotal (>90%) was found in the upland soils. In upland soils, TML was only detectable in the forest floor. OTC degraded slowly in soils with half-lives (t½) estimated from 0.5 to 15 years. The degradation rates in soils were generally in the order mono- >= di- > tri-substituted OTC. Decomposition rates of OTC in the forest floor were higher than in wetland and mineral soils. TML degraded rapidly in the forest floor (Oa) with a t½ of 0.09 years. The degradation of TML in Fen (t½ = 1.2 years) and in the mineral soil (Bw-C, t½ = 1.7 years) was much slower. Emission of tetramethyltin and tetramethyllead from wetland soils was not observed, suggesting little Sn and Pb methylation in the wetland soils. The adsorption and desorption isotherms for all species and soils were linear over the concentration range of 10–100 ng Sn, Pb ml–1. The strength of OTC adsorption correlated well with the carbon content and cation exchange capacity of the soil and was in the order mono- > di- > tri-substituted OTC and butyltin > methyltin compounds. The adsorption and desorption showed a pronounced hysteresis. The ratio of total soil storages in the catchment to the present annual input was 3.6 years for TML, reflecting the rapid degradation of TML in forest soils. The ratios of OTC soil storages to their present annual deposition ranged from 4.3 to 400 years. These high ratios reflect probably the high stability, low mobility of OTC in soils and the variation of the annual total deposition.
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Neue Materialien für optoelektronische und elektronische Bauteile
(2004)
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Klaus Kreger
- Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Synthese von organischen Verbindungen auf der Basis von Fluorenen und Carbazolen, welche als aktives Material in Halbleiterbauteilen, wie organische Leuchtdioden (OLED) oder organische Transistoren (OFET) eingesetzt wurden. Molekular einheitliche, niedermolekulare Verbindungen können in hochreiner Form erhalten werden. Sie besitzen keine Endgruppen und zeigen keine Verteilung von physikalischen Eigenschaften. Die Verbindungen sollen eine stabile nichtkristalline Morphologie besitzen. Verbindungen mit sternförmiger Architektur neigen häufig zur Glasbildung. Unter solchen so genannten organischen Gläsern versteht man niedermolekulare Verbindungen, die in der Lage sind eine stabile amorphe Phase auszubilden. Solche trigonalen sternförmigen Verbindungen bestehen aus einem starren konjugierten Kern und einer entsprechenden Anzahl an Flügelgruppen. Als Flügelgruppen kamen verschiedene 9-alkylierte Fluoren- und Carbazolbausteine zum Einsatz. Als Kerne wurden Triphenylamin, Triphenylbenzol, Benzol, Tristhienylbenzol und Triphenylen verwendet. Der Schlüsselschritt der Synthese ist eine Suzukireaktion. Die meisten Verbindungen bilden amorphe Phasen, wobei die Glasübergangstemperaturen zwischen 57-158°C variieren. Die amorphe Phase ist dabei ausgesprochen lagerstabil. Die energetischen Lücken liegen zwischen 3,0-3,5 eV. Solche Verbindungen zeigen eine intensiv blaue bis violettblaue Fluoreszenz. Die HOMO-Niveaus variieren zwischen -5 eV und -6 eV. Aminderivate eignen sich als Lochleiter sowie als blaue Emitter. Verbindungen mit tiefliegenden HOMO-Niveaus und großen energetischen Lücken können als Lochblocker fungieren. Daneben wurden konjugierte organische Materialien synthetisiert, die eine hochgeordnete Phase aufweisen. Hierfür kamen Flüssigkristalle in Frage. Neben der Synthese von Flüssigkristallen, deren Phase durch Unterkühlung eingefroren werden kann, wurden auch so genannte Reaktivmesogene hergestellt. In diesem Fall wird die momentane morphologische Ordnung mittels einer photochemischen Reaktion permanent in einem Netzwerk fixiert. Des Weiteren galt darauf zu achten, dass die Materialien bevorzugt Löcher leiten. Stäbchenförmige Verbindungen, wie z.B. ein 2,7-Bis(carbazol-2-yl)-fluoren zeigen bereits ein flüssigkristallines Verhalten. Der Zugang zu solchen Verbindungen wurde via Suzukireaktion realisiert. Eine Methoxygruppe in der 7-Position des Carbazols ermöglichte nach einer Etherspaltung den weiteren Aufbau zum Reaktivmesogen. Mit gezielten repetiven Suzukireaktionen war auch der Zugang zu linearen 2,7-verknüpften Pentameren mit unterschiedlichen Abfolgen von Fluoren- und Carbazolbausteinen möglich. Solche Verbindungen können dabei eine flüssigkristalline Phasenbreite von mehr als 250°C besitzen. Schließlich wurden N-Arylierte Tercarbazole hergestellt. Solche Tercarbazole sind thermisch extrem stabil und besitzen stabile amorphe Phasen mit Glasübergangstemperaturen bei 103°C bzw. 190°C. Deren HOMO-Niveaus berechnen sich zu –5.2 eV, was etwas tiefer als ein entsprechendes N-alkyliertes 3,6-verknüpftes Tercarbazol ist. Die N-Arylgruppe ist offensichtlich nicht an der Konjugation beteiligt. Mehrschicht-OLEDs wurden mittels Aufdampfprozesse hergestellt. Dabei fungierte ein sternförmiges Triphenylbenzolderivat als Lochblocker. Ein sternförmiges Aminderivat wurde als Lochleiter und als Emitter eingesetzt. Das effizienteste Device wurde durch Aufdampfen von Stufengradienten ermittelt. Eine 5 nm dicke Lochblockerschicht ist ausreichend, um den Löcherstrom an der Grenzfläche zu stoppen. Die spannungsunabhängige Emission mit den CIE-Koordinaten x = 0.154 und y = 0.146 stammt ausschließlich vom Lochleiter. Die Leuchtdichten betragen ~400 cd/m2 bei 10V. Die max. Effizienzen liegen bei ~2 cd/A und die Lichtausbeuten bei ~0,8 lm/W. Eine Reihe der Materialien wurden bei Philips (Eindhoven) und Merck (Southhampton) auf ihre Transistoraktivität untersucht. Von der Mehrzahl der Verbindungen konnten dabei homogene Filme aus Lösung erhalten werden. Dabei hat sich gezeigt, dass das Einsetzen eines Stromes wesentlich von einem ohmschen Kontakts mit der Gold-Elektrode abhängig ist. Ebenso erhöhen unzureichende Filmbildungseigenschaften die Onset-Spannung und führen zu niedrigen Drainströmen. Beides kann durch das Verwenden von Carbazolbausteinen anstelle des Fluorens und mit der Wahl von geeigneten Alkylketten vermieden werden. Die Orientierbarkeit und die Strukturierbarkeit von Reaktivmesogenen wurde demonstriert. Allerdings sinkt dabei die Beweglichkeit nach der Vernetzung deutlich. Insbesondere sternförmige Verbindungen auf der Basis von Triphenylaminen zeigen ein Einsetzen des Stromes nahe bei 0V. Solche amorphe Filme besitzen eine Beweglichkeit von mehr als 10-4 cm2/Vs in nichtoptimierten Devices. Die On/Off-Verhältnisse betragen 104-105. Als wesentliche Vorzüge solcher aromatischen Amine sind die geringen Hystereseffekte und die exzellente Lagerstabililtät an Luft zu nennen.
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Dynamik der Aquaporine und des Wassertransports im elongierenden Hypokotyl von Ricinus communis L. Keimlingen
(2004)
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Daniel Augustinus Eisenbarth
- Seit den wegweisenden Arbeiten von Peter Agre war bekannt, dass Gene aus der Familie der major intrinsic proteins für funktionelle Aquaporine codieren. Auch in Pflanzen stellen diese Wasserkanäle die molekulare Grundlage für hohe Wasserleitfähigkeiten von Membranen dar. Weiterhin zeigte sich eine Korrelation von hoher zellulärer Wasserleitfähigkeit und einer starken Expression verschiedener MIP in jungen, wachsenden Geweben. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag daher auf der Frage, welche physiologische Rolle Aquaporine bei der Regulation des Steckungswachstums pflanzlicher Gewebe spielen. Als Modellorgan diente dabei das Hypopkotyl des Keimlings von Ricinus communis. Es vollführt im Dunkeln ein starkes Elongationswachstum, welches einerseits unter dem Einfluss eines endogenen Entwicklungsprogramms steht, andererseits als Teilaspekt der Photomorphogenese durch Licht inhibiert wird. Von insgesamt zehn bekannten Ricinus-MIP wurden RcPIP1-1, RcPIP2-1 und RcTIP1-1 kloniert, da sie gerade im Hypokotyl dominant exprimiert sind. RcPIP2-1 und RcTIP1-1 konnten erfolgreich heterolog in Hefe exprimiert, und durch stopped-flow Spektroskopie auch als Aquaporine charakterisiert werden. Die Expression von RcPIP2-1 zeigt eine deutliche Korrelation mit der Elongationsaktivität des Gewebes entlang der Hypokotylachse sowie mit der Inhibition des Streckungswachstums durch Belichtung. Strukturelle Eigenschaften des RcPIP2-1 deuten auf eine posttranslationale Regulation hin, welche speziell bei der Beendigung der Elongation innerhalb des endogenen Entwicklungsprogramms von Bedeutung zu sein scheint. Innerhalb der Elongationszone ist RcPIP2-1 stark in den kleinen Zellen des Xylemparenchyms exprimiert, wo es möglicherweise eine hohe Barriere für radial fließendes 'Wachstumswasser' reduziert. Darüber hinaus zeigt sich während der Elongation eine transient erhöhte Expression von RcPIP2-1 in der Kortexperipherie. Gerade in Zellen dieses Gewebes ergaben Messungen mit der Zelldrucksonde stark erhöhte Wasserleitfähigkeiten, verglichen mit Zellen aus nicht-elongierenden Hypokotylzonen. Durch eine Modellierung radialer Gradienten des Wasserpotentials konnte gezeigt werden, dass die hydraulische Leitfähigkeit von Zellen im Gewebeverband das Streckungswachstum des Ricinus-Hypopkotyls grundsätzlich limitieren kann. Auch die Expression des RcSCR1 korreliert mit der Elongation und damit der Stärke des sink entlang des Hypokotyls. Dieser potentiell Phloem-beladende Saccharosetransporter ist in den Geweben nicht exprimiert, die aufgrund starker Wachstums- und Teilungsaktivität auf die Versorgung mit energiereichen Assimilaten angewiesen sind. Erst wenn mit Beendigung des Streckungswachstums die sink-Stärke reduziert wird, tritt eine Induktion des RcSCR1 auf. Aus diesen Befunden wird evident, dass die Regulation des Streckungswachstums von Ricinus-Keimlingen über eine Veränderung der zellulären Wasserleitfähigkeit erfolgen kann und, dass RcPIP2-1 eine molekulare Komponente dieses Regulationsmechanismus ist. Darüber hinaus scheint RcSCR1 in den Ablauf des Streckungswachstums involviert zu sein, indem er die Verfügbarkeit osmotisch aktiver Substanzen bzw. energiereicher Assimilate kontrolliert.
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Fouragierstrategien, Ressourcennutzung und Mortalitätsrisiken von Blattlausparasitoiden: Der Einfluss von Habitatsdiversität und Wirtsvorkommen
(2004)
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Manuela Weinbrenner
- Die Wirtssuche und das Eiablageverhalten von Blattlausparasitoiden (Hymenoptera: Braconidae) auf höherer räumlicher Ebene zeigten sich durch verschiedene Bedingungen des Habitatausschnittes wesentlich beeinflusst. Wichtige Faktoren waren die Dichte und Verteilung der Wirte, die Konstellation des Fouragierraumes aus Wirts- und Nichtwirtspflanzen, der Mehltaubefall der Wirtspflanzen und die Predation durch Spinnen. Außerdem resultierten erhebliche Differenzen zwischen Primärparasitoiden mit unterschiedlicher Wirtsspezialisierung. Ein interspezifischer Vergleich lieferte große Parallelen zwischen den beiden Spezialisten Aphidius tanacetarius (monophag) und Aphidius absinthii (oligophag), während sich die Fouragierstrategien und der Reproduktionserfolg von Aphidius ervi (polyphag) deutlich von diesen abhob. Die Wirtsdichte hatte erheblichen Einfluss auf das Fouragierverhalten der Parasitoide: • Mit zunehmender Wirtsdichte resultierten höhere Aufenthaltszeiten der Parasitoidenweibchen in dem Pflanzenbestand. Dieses Muster zeichnete sich mit steigender Wirtsspezialisierung stärker ab. • Sowohl A. ervi als auch A. absinthii verwendeten auf wirtsbefallene Pflanzen relativ mehr Suchzeit als auf unbefallene, bei A. tanacetarius war dies nicht der Fall. • Der Eiablageerfolg nahm bei A. ervi mit wachsender Wirtsdichte zu, während A. tanacetarius und A. absinthii allgemein geringe Eiablageraten zeigten. • Generell wurden lokalisierte Blattlauskolonien nur zu einem geringen Anteil parasitiert, v. a. aufgrund des Abwehrverhaltens der Wirte. Die räumliche Verteilung der Wirte nahm großen Einfluss auf den Erfolg der Parasitoide: • Das aggregierte Auftreten von Blattlauskolonien erhöhte den Such- und Parasitierungserfolg von A. ervi signifikant gegenüber der uniformen Verteilung. Ursache kann die evolutive Adaption der Parasitoide an die natürliche Verteilungsform ihrer Wirte sein. Die Zusammensetzung des Bestandes aus Wirts- und Nichtwirtspflanzen wirkte sich wesentlich auf die Wirtssuche der Parasitoiden aus. In Abhängigkeit von der Wirtsspezialisierung folgten unterschiedliche Fouragierstrategien: • Die polyphage Art A. ervi reagierte in Gegenwart von Nichtwirtspflanzen mit einer kürzeren Aufenthaltszeit als in reinen Wirtspflanzenbeständen. Tendenziell war dies auch bei den Spezialisten A. tanacetarius und A. absinthii ausgebildet. Im interspezifischen Vergleich ergaben sich höhere Aufenthaltszeiten mit reduziertem Wirtsspektrum. • Während A. ervi auch Nichtwirtspflanzen zu einem relativ hohen Anteil anflog, konnten diese von den Spezialisten weitgehend gemieden werden, am extremsten von der monophagen Art A. tanacetarius. • Allerdings konnte A. ervi die Besuchszeit auf Nichtwirtspflanzen gering halten, signifikant kürzer als auf Wirtspflanzen. Diese Fähigkeit besaßen die spezialisierten Parasitoidenarten zusätzlich zu dem Meiden ungeeigneter Pflanzen. • Der Sucherfolg fiel bei A. tanacetarius und A. absinthii unabhängig von der Zusammensetzung des Pflanzenbestandes gering aus. Dagegen hatte A. ervi insgesamt eine sehr viel höhere Erfolgsquote und einen stark reduzierten Sucherfolg in Anwesenheit von Nichtwirtspflanzen ab. Die Vorerfahrung erzeugte bei A. ervi beträchtliche Modifikationen der Wirtssuche: • Die Vorerfahrung mit dem der Fouragiersituation entsprechenden Pflanze-Wirt-System führte bei A. ervi Weibchen zu intensiviertem Suchverhalten und infolgedessen zu einer Erfolgssteigerung in der Parasitierung verfügbarer Wirte. Der Befall von Wirtspflanzen mit Echtem Mehltau (Erysiphe trifolii; Mycobionta: Ascomycetes, Erysiphales) modifizierte stark das Suchverhalten von A. ervi: • Bei Mehltaubefall resultierten signifikant kürzere Aufenthaltszeiten der Parasitoide als in gesunden Pflanzenbeständen. • Die Intensität der Suche war in Anwesenheit von Mehltau reduziert, indem eine signifikant geringere Anzahl von Pflanzen abgesucht wurde. • Als direkter Effekt des Mehltaus auf die Parasitoiden zeigte sich die Verhaltenskomponente "Putzen" gegenüber der Suche auf gesunden Pflanzen signifikant erhöht, verursacht durch die Kontamination mit Pilzsporen. Eine nasse Blattlauskutikula beeinträchtigte die Wirtserkennung von A. ervi-Weibchen: • Die Eiablagerate von A. ervi war bei nassen A. pisum mangels Erkennung signifikant reduziert. • Die Reduktion der Eiablage in nasse Wirte nahm mit der Zeit kontinuierlich ab, so dass die gewaschenen A. pisum bereits eine Stunde nach der Behandlung wieder uneingeschränkt parasitiert wurden. • Das gleiche Phänomen trat bei gewaschenen toten Blattläusen auf. Das Mortalitätsrisiko durch Netzspinnen für Parasitoide: • Die Suche auf höherer räumlicher Ebene war für die Primärparasitoidenarten A. absinthii und A. ervi mit einem hohen Mortalitätsrisiko durch Netzspinnen verbunden, während die Hyperparasitoidenart Dendrocerus carpenteri (Hymenoptera: Megaspilidae) dieser Gefahr nicht unterlag.
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Nanostructure formation in thin polymer films
(2004)
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Nicolaus Rehse
- In the first part of this thesis an improved process is presented to prepare laterally structured substrates via hierarchical self organization. A miscut silicon surface annealed at 1400 K under ultra high vacuum conditions is used. The resulting facets are stable against oxidation and form a topographic pattern which can be further modified to a chemical pattern via evaporation of gold on every other facet. By controlling the time of annealing, we create structures with a reproducible mean width ranging from 40 to 400 nm. Despite the rather complex ultra high vacuum treatment and an additional evaporation step, we are able to produce substrates in a relatively short time (36 h). These substrates show a nanometer sized structure over an area of 0.5 cm². The automation of the cleaning process and a controlled heating during the annealing increases the yield of high-quality, stepped substrates. These structures allowed us to study the behavior of ultra-thin polystyrene films on topographically structured substrates. The film thickness of some nanometers is comparable to the radius of gyration of the polymers. The substrate corrugation causes a regular variation of the film thickness. We start with a homogeneous film, which is annealed above the glass transition temperature. During annealing the films are stable or form long polymer nanochannels, which lie in the grooves of the substrate structure. The balance of the radius of gyration and the film thickness controls the stability of the polymer film, while the corrugation only triggers the dewetting. The same behavior is found for films on flat substrates. Here small contaminations nucleate the formation of holes. Evaporation of gold stripes and their modification with self assembled monolayers leads to chemical patterned substrates. This expands the possibilities to manipulate the substrate wettability on the nanometer scale. The second part of the thesis describes the formation of ordered structures in block copolymer films. ABC triblock copolymers show a large variety of morphologies in thin films. We have shown that surface reconstructions play an important role in the structure formation process of these structures. In very thin films, where the film thickness is smaller than the long period of the polymer's micro domains, confinement effects overlap with the surface effects. The component with the lowest surface energy is accumulated at the free surface. It needs a subtle balance between the different surface energies (external fields) and the interaction of the three polymer blocks (internal fields) to create a surface reconstruction. This was shown by variation of the chemistry of the end block and by changing the sequence of blocks in the experiment. To analyze the surface reconstruction we used selective staining along with scanning electron microscopy, selective etching in oxygen plasma in combination with scanning probe microscopy, as well as quantitative TappingMode atomic force microscopy. Surface reconstructions of block copolymers show remarkable similarities with reconstructions of single crystal surfaces. In both cases the driving force for a rearrangement is the decrease in surface free energy of the ideal surface. A second analogy between the lamella forming SBM triblock copolymer and Si(100) is the fact that two non-equivalent layers of matter aligned parallel to the free surface lead to two different terminations at the surface. This shows that the phenomenon of surface reconstructions is not limited to classic crystals. The results of this thesis give new insights in the behavior of polymers at surfaces and in thin films. This gives the opportunity to create or manipulate nanometer sized structures accurately via self assembly, external stimuli, or a combination of both.
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Keteneylidenetriphenylphosphorane as a 'C2O building block' in the synthesis of highly functionalised tetramic and tetronic acids
(2004)
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Claire Melanophy
- Naturally occurring 4-hydroxy-pyrrol-2(5H)-ones and 4-hydroxy-furan-2(5H)-ones are known to possess a wide range of biological activities such as anti-viral and tumour inhibition. For this reason, the synthesis of a number of these compounds was attempted, namely Tenuazonic Acid, Reutericyclin and Carlosic acid. A general synthesis of 4-hydroxy-pyrrol-2-ones was established by reaction of a phosphorus ylide (Ph3PCCO) with a variety of amino esters. A number of derivatives were prepared with varying substituents at the 3- and 5-positions of the nitrogen heterocycle. A general method for the preparation of highly functionalised furan-2-ones from simple alpha-hydroxy esters was also developed. Progress has been made in the synthesis of N-substituted pyrrol-2-ones where simple amide esters were reacted with a phosphorus ylide (Ph3PCCO) in the construction of highly functionalised nitrogen heterocycles. A new acylation procedure was developed in order to selectively introduce an acetyl residue to pyrrolidine-2-ones and furan-2-ones. A phosphorus ylide (Ph3PCCO) and its solid supported variant were used as acylating agents under relatively mild, basic conditions. Complex heterocycles were prepared using the Diels-Alder methodology and from reaction of Ph3PCCO with relatively simple molecules.
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Biologieunterricht im Naturkundemuseum im Spannungsfeld zwischen Instruktion und Konstruktion – eine empirische Untersuchung zu kognitiven und affektiven Lerneffekten (am Beispiel des Umweltschutz-Informationszentrums Lindenhof in Bayreuth)
(2004)
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Matthias Wilde
- 1. Auf der Erkenntnistheorie des Konstruktivismus basierend, existieren unterschiedliche Lerntheorien des Konstruktivismus. Nach der Position des gemäßigten Konstruktivismus von Reinmann-Rothmeier & Mandl (2001) wird das „Prozessmerkmal“ Selbstbestimmung als besonders wesentlich identifiziert und in einer empirischen Studie kontrolliert variiert. Die Untersuchung findet in einem außerschulischen Lernort, einem Naturkundemuseum, das beschrieben und in seiner didaktischen Bedeutung (einschließlich Lernziele) charakterisiert wird, statt. An 366 Gymnasiasten der fünften Jahrgangsstufe wird auf kognitiver und affektiver Ebene die Lernwirkung dieses Faktors in einer eintägigen Intervention evaluiert. Die Schüler durchlaufen im „Museumsunterricht“ entweder ein weitgehend selbstbestimmtes (S-Gruppe), ein fremdbestimmtes (F-Gruppe) Treatment oder eine Mischform aus Selbst- und Fremdbestimmung (SF-Gruppe). 2. In einem Vortest-Nachtest-Design mit Follow-up-Test nach 40 Tagen (Vortest, Nachtest I und II) werden die kognitiven Leistungen der Probanden mit zwei Messinstrumenten, einem Haupttest aus Items mit Antwortvorgaben (Multiple-Choice Test) und einem Nebentest mit Items ohne Antwortvorgaben (offener Test) bestimmt. Die affektiven Bewertungen der Schüler werden in den Nachtests ebenfalls mit geschlossenen und offenen Formaten erfasst. 3. Die zentralen Fragen nach der affektiven Wirkung und dem kognitiven Lernerfolg sind differenziert zu beantworten: a) Auf affektiver Ebene unterscheiden sich die Schülereinschätzungen der drei Treatments unabhängig vom Messinstrument kaum. In allen Gruppen (Gesamt- und Treatmentgruppen) sind die Bewertungen zu Museumsbesuch insgesamt und Elementen dieses Unterrichts im Nachtest I sehr positiv, im Nachtest II kaum geringer. b) Auf kognitiver Ebene zeigen beide Messinstrumente für die Gesamtgruppe aller Schüler Erwerb, Persistenz aber auch Vergessen von Wissen an. Der Museumsbesuch führt somit zu bleibendem Lernerfolg. Bei der Betrachtung der Treatmentgruppen unterscheiden sich die Ergebnisse der beiden Messinstrumente grundlegend: - Im offenen kognitiven Test sind die Schüler des selbstgesteuerten Treatments am besten. Die beiden anderen Gruppen fallen dagegen deutlich ab, unterscheiden sich untereinander jedoch nicht. Im Nachtest II verschwinden alle Unterschiede zwischen den Treatmentgruppen. - Im Multiple-Choice Test führt das mittlere Treatment in beiden Nachtests zu den besten Resultaten. Die fremdbestimmten Probanden zeigen nur im Nachtest I akzeptablen Lernerfolg, im Nachtest II dagegen schlechtere Ergebnisse. Auch das selbstgesteuerte Treatment schneidet in beiden Nachtests relativ schwach ab. Eine entsprechende Analyse deutet darauf hin, dass hier eine Beeinträchtigung dieser Treatmentergebnisse resultierend aus Itemkonstruktion und einem der Grundfrage der Untersuchung immanenten Dilemma zurückzuführen sein könnte. c) Entscheidende Auswirkung hat der Faktor Bekanntheit des Lindenhofs auf die Lernergebnisse des Multiple-Choice Tests. Obwohl die Schüler, die den Lindenhof schon vor diesem Museumsbesuch kannten, von einem höheren Kenntnisstand starten, ist das Niveau des Wissenszuwachses von Kennern und Nicht-Kennern in beiden Nachtests gleich hoch. Die Lindenhof-Nicht-Kenner reagieren in allen entscheidenden Punkten wie die Gesamtgruppe, die Kenner dagegen lassen kein Vergessen nachweisen, nicht in der Gruppe aller Kenner und nicht in den entsprechenden Gruppen der S-, SF- und F- Schüler. Besonders verwunderlich ist ein Fehlen von Treatmentunterschieden. Möglicherweise verfügen Lindenhof-Kenner über andere Strategien, sich das Museum zu erschließen, und werden darum von den Treatmentaufgaben weniger beeinflusst. 4. Unterrichtliche Konsequenzen der Untersuchung: a) Exkursionen zu einem Naturkundemuseum lohnen sich. Unabhängig von der Treatmentaufgabe führt der Unterrichtsbesuch zu dauerhaftem Lernerfolg und zu anhaltender positiver affektiver Gestimmtheit bezüglich dieses Besuchs. b) Je nach Absicht, sollte man für den Museumsbesuch ein passendes Treatment wählen: Soll es um planbaren Wissenserwerb gehen, einem Unterricht nach operationalisierbaren vorher festgelegten Anforderungen, so ist eine Mischform zwischen Selbstbestimmung und Fremdbestimmung zu empfehlen. Ein sehr deutlich gelenktes Vorgehen kann zu schlechten Behaltensleistungen führen. Ist die Vorbedingung der Planbarkeit verzichtbar, so kann selbstgesteuertes Lernen zu guten Ergebnissen führen und ist bedingt zu empfehlen. c) Die vorherige Bekanntheit des Museums bei Schülern sollte nicht von einem weiteren Besuch abhalten. Gerade in dieser Situation lernen Schüler besonders gut. Das Treatment spielt für diese Situation eine untergeordnete Rolle.
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Equilibrium and Dynamic Phase Behavior in Thin Films of Cylinder-Forming Block Copolymers
(2004)
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Armin Knoll
- The equilibrium and dynamic phase behavior in thin films of cylinder-forming block copolymers has been studied. The results range from an extension of an advanced strong segregation theory to the treatment of cylindrical microdomains in a thin film, over the detailed analysis of the phase behavior and the microdomain dimensions of a cylinder forming model system, to the first in-situ measurements of phase transitions and microdomain dynamics in a thin block copolymer film. The first result concerns the characterization of thin films of the model system, a polystyrene-b-polybutadiene-b-polystyrene (SBS) triblock copolymer, by tapping mode scanning force microscopy (TM-SFM). We present a procedure to establish reliably with TM-SFM the true surface topography of a soft polymeric sample. The measurement of an array of amplitude phase distance (APD) curves enables us to distinguish quantitatively between the ¡°real¡± surface topography and lateral differences in tip indentation. We find that conventional TM-SFM height images are not necessarily reflecting the surface topography of the sample. In the case of SBS we find that the surface is flat and that conventional TM-SFM height images only reflect lateral differences of tip indention. A theoretical treatment of the phase behavior in thin films of cylinder forming block copolymers within an advanced strong segregation theory (SST) framework of Olmsted and Milner is developed. Although the theory is strictly valid only for highly stretched chains and does not account for minority domain structures other than cylinders, the predicted results are in good agreement to the experimental results in this thesis. The microdomain structures under consideration are in plane oriented cylinders terminating with either the matrix component CP or a half cylinder CH at the surface and cylinders oriented perpendicular to the film CS. The thin film phase behavior of concentrated solutions of SBS in chloroform is studied experimentally. The stable phases are mapped as a function of film thickness and polymer concentration phi. The variation of phi can be interpreted as a variation of the molecular interactions between the two polymer components and between the components and the boundary surfaces. The preferential attraction of the majority component to the surface, the surface field, causes the cylinders to align parallel to the plane of the film, whenever the thickness fits an integer multiple of cylinder layers. At intermediate thickness the cylinders align perpendicular to the film plane. At higher polymer concentration, i.e., at stronger surface fields, a perforated lamella (PL) of polystyrene forms. The surface field needed for PL formation increases with increasing film thickness. A wetting layer exists underneath all films, which either consists of pinned molecules or of a half lamella. Furthermore the principal microdomain spacings of the thin film microdomain structure are investigated in detail and compared to the SST results. A new image analysis algorithm provides the recognition and the localization of the different structures in the SFM phase contrast images. The microdomain spacings are discussed as a function of various parameters like the film thickness, the polymer concentration and the local curvature of the structure. An examination of the dependence of the spacing in the C¨U structure from the local curvature of the cylinders yields an effect of second order, which can be explained in terms of density conservation of the polymer blocks. The spacing of the CP structure also depends on the local thickness of the thin film. The CP phase is stable in a certain thickness range close to its preferred thickness. Within this range it has to adapt the cylinder "height" to be commensurable with the film thickness. Minimization of the interface between the blocks leads to a smaller or larger lateral cylinder spacing if the cylinder has to stretch or shrink its dimension perpendicular to the plane of the film, respectively. Finally the first in-situ observation of phase transitions in thin block copolymer films is presented. During annealing with a controlled atmosphere of chloroform vapor the film develops islands and holes. The development of the microdomain structure and its spacial fluctuations are captured. The rather high polymer concentration in the thin film results in a time scale of the fluctuations in the order of seconds to minutes. The decreasing film thickness inside of the holes triggers phase transitions from CS to CP to PL according to the phase diagram of the system.
