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3-Funktionalisierte Tetronsäuren und Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren
(2008)
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Ralf Stehle
- R-Kavain ist ein wirtschaftlich und pharmakologisch bedeutender Naturstoff. Eine stereoselektive Synthese lag zu Beginn dieser Arbeit nicht vor. Analog zur Synthese von Tetronsäuren aus alpha-Hydroxyestern und Ketenylidentriphenylphosphoran 11 sollte aus beta-Hydroxyester Kavain synthetisiert werden. Versuche mit beta-Hydroxyester zeigten, dass 11 an die Hydroxygruppe addiert, allerdings findet keine Wittig-Reaktion statt. Das Acylylid geht nur mit Benzaldehyd eine Wittig-Reaktion ein, nicht jedoch mit Estern. Stattdessen führt eine alpha beta Eliminierung zur Ausbildung eines Michaelsystems. Selbst durch schonende Reaktionsbedingungen in der Mikrowelle lässt sich dies nicht verhindern. Die Lewis-Säure YbTF3 unterdrückt die Eliminierung teilweise, trotzdem findet kein Ringschluß statt. Eine weitere pharmakologisch interessante Substanzklasse stellen die aus Tetronaten zugänglichen Endoperoxid-lactone dar. Die Variabilität der Seitenkette in 3-Position ist, synthetisch bedingt sehr beschränkt. Direkte 3-Alkenylierungen von Tetronsäuren sind laut Literatur nur mit aromatischen Aldehyden möglich. In der vorliegenden Arbeit gelang die 3-Alkenylierung von Tetronsäuren mit aliphatischen Aldehyden und Ketonen. Dabei werden Letztere zunächst zu ihren Pyrrolidiniumsalzen umgesetzt. Die Kondensation mit Tetronsäuren erfolgt basisch katalysiert, was einen flexiblen Zugang zu hochfunktionalisierten Furandionen ermöglicht. Die Photooxidation zu Endoperoxiden gelingt allerdings nur mit 3-Methylbut-2-yliden-Derivaten, deren 2-Wasserstoff am acidesten ist. Ein weiteres Ziel war die Synthese von Endoperoxiden, die an weitere antiplasmodische Wirkstoffe gebunden werden können. Dazu wird L-Äpfelsäure zum Furandion umgesetzt, welches in 5-Position eine TMSE-geschützte Carboxymethylen-Funktion besitzt. Bei der Photooxidation wird die Schutzgruppe allerdings unter Bildung des sehr stabilen Bislacton-Endoperoxids 1R9S-122 abgespalten. Bei pharmakologischen Tests am Tropeninstitut in Basel zeigte keines der Endoperoxide, auch die schon erfolgreich an der Charite getesteten, Wirkung gegen Plasmodium falciparum. Eine weitere Gruppe pharmakologisch interessanter Stoffe stellen 3-Acyl-Tetron- und -Tetramsäuren dar. Keine Acylierungsreaktion verträgt allerdings 5-unsubstituierter Derivate. In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob 3-Bromtetronsäuren durch Stille-Kupplung mit Acylstannanen umgesetzt werden können, um einen milden Zugang zu diesen Derivaten zu erhalten. Allerdings führten entsprechende Reaktionen nicht zum Erfolg. Ein ungeklärtes Phänomen stellte die Racemisierung von Stereozentren bei der Additions-intra-Wittig-Reaktion dar. Das Stereozentrum von S-Mandelsäureestern racemisiert bei der Synthese von 5-Phenyltetronsäure-Derivaten vollständig. Verursacht wird dies von Basenspuren in 11 oder durch 11 selbst bei höheren Temperaturen. Da die Additions-Reaktion von 11 bei Raumtemperatur stattfindet, kann das chirale Esterylid isoliert und gereinigt werden. Die Wittig-Reaktion unter Ausschluss von überschüssigem 11 führt in der Mikrowelle unter Erhalt des sehr empfindlichen Stereozentrums zum 5S-5-Phenyltetronat mit einem ee von >99%, was diese Reaktion nun auch für die Synthese chiraler Naturstoffe interessant macht. Im Hinblick auf die Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren sind stereochemische Aspekte der Claisenumlagerung cinnamyl-substituierter Tetronsäuren von Interesse. Dabei kann beobachtet werden, dass Substituenten in 5-Position das Enantiomerenverhältnis in 1-Position über drei Bindungen hinweg beeinflussen. Dies führt bei Tetronsäure 5S,1RS-146 zu einem 1R/S-Diastereomeren Verhältnis von 2:3. Zur Analyse der Enantiomere wurden mehrere HPLC-Methoden mit Cyclodextrin-Phasen entwickelt. Für die Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren war, ausgehend von alpha-Hydroxycarbonsäure-m-nitrocinnamylestern, eine Domino-Additions-intra-Wittig-Reaktion mit nachfolgender Claisen-Umlagerung geplant. Allerdings waren die Ausbeuten aller Reaktionsschritte durch die Nitrogruppe bedingt sehr niedrig. Einen Ausweg bietet die Mikrowellen gestützte Veretherung von Tetronsäuren mit m-Nitrocinnamylbromid. Die Tetronsäuren sind dabei aus alpha-Hydroxycarbonsäuren über ihre Benzylester leicht zugänglich. Die Effizienz der Claisenumlagerung lässt sich durch Einsatz eines Mikrowellenprotokolls und DMF als Lösungsmittel deutlich erhöhen. Die Cyclopropanierung der vinylischen Seitenkette ist der empfindlichste Schritt der Synthese. Sie wird durch die Nitrogruppe ebenfalls beeinträchtigt, gelingt aber durch eine modifizierte Methode nach Charette et al. Im letzten schritt wird die Nitrogruppe reduziert und sulfoniert, wobei letztere Reaktion ohne den sonst üblichen Überschuss an Base durchgeführtgeführt werden muss, da die Hydroxygruppe ansonsten zusätzlich sulfoniert wird. Erste biologische Tests der Derivate an HI-Viren zeigen moderate Aktivität, wobei vor allem Substituenten in 5-Position einen großen Einfluß zu haben scheinen.
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Soft Compartmentalized Polymer Colloids: Janus Particles, Multicompartment Structures, Inorganic-Organic Hybrids and Applications
(2008)
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Andreas Walther
- Compartmentalized polymer-based colloids with nanoscopic dimensions and different topologies were prepared based on various block copolymer architectures. The polymers were prepared via anionic polymerization or a controlled radical polymerization technique (RAFT). Self-assembly both in solution and in bulk were rigorously exploited to create the multicompartment architectures. Several new crosslinking strategies, in bulk and in solution, were thoroughly investigated to allow a controlled preservation and a high shape-persistence of the colloidal particles even when exposed to non-selective solvents. Cylindrical and disc-like Janus particles were investigated according to their self-assembly behavior into superstructures. The Janus discs undergo back-to-back stacking in organic solvent. In aqueous solution, a size-dependent aggregation was found. While the smaller Janus discs are unimolecularly dissolved with a significant polystyrene surface exposed to the water, the larger Janus sheets can shield the insoluble side by a large bending in an intramolecular fashion. Janus cylinders self-assemble on two hierarchical levels. Upon exposure to a selective solvent, they self-organize into fibers. The length of these fibers depends on the concentration and a critical aggregation concentration exists below which self-assembly is absent. Secondly, the Janus cylinders form fibrillar networks with tunable pore sizes when deposited from more concentrated solution. The surface-active properties of spherical Janus particle were exploited for the investigation of two possible applications of both academic and industrial relevance. In Pickering emulsion polymerization, extremely well-defined latexes with long-term stability could be prepared in a very facile fashion. A control of the particle size by changing the concentration of Janus particles could easily be achieved. Secondly, the nanostructuring of polymer blends was shown for a PS/PMMA model system. The system exhibits a control on two length scales. The first is the controlled decrease of the domains of the dispersed phase and the second is the controlled spacing between the particles at the interface. The particles are exclusively located at the interface and the nanostructuring can be obtained while matching macroscopic processing constraints, i.e. high-shear blending in a mini mixer. The self-assembly of bis-hydrophilic triblock terpolymers with two outer hydrophobic blocks was investigated for a variety of different hydrophilic end blocks. The overall architecture of the solution structures could be tailored by changing the hydrophobic-to-hydrophilic balance. Additionally, the interaction between the corona-forming blocks has an influence on the particle shapes as well. The micelles possess coronas with appealing and tunable properties, due to the presence of a hydrophobic core and hydrophilic biocompatible and stimuli-responsive segments. The self-assembly of miktoarm star terpolymers, bearing arms of polystyrene (PS), polybutadiene (PB) and poly(2-vinylpyridine) (P2VP), was analyzed both in solution as well as in the bulk state. In solution, the miktoarm star terpolymers form multicompartment micelles with a glassy (PS) and a soft compartment (PB), all rendered water-soluble by the P2VP corona. Strikingly, the soft PB compartments show hydrophobic bridges in aqueous medium which is of high interest as they can be used as a second motif for sensing, adhesion control or interaction with cellular membranes. The transfer of a hexagonally ordered cylindrical bulk phase via crosslinking of the PB domain of a bulk structure of a similar miktoarm star terpolymer allowed the preparation of novel multicompartment cylinders. The structures possess perfectly parallel aligned compartments. Two symmetric and opposing PS and P2VP compartments surround a central ribbon-like PB compartment. The P2VP compartments could be used to generate perfectly aligned bi-axial nanowires inside spatially separated compartments within close proximity. Due to the presence of an amphiphilic corona, the extent of the compartmentalization can be tuned from separated nanowires into one homogenous nanowire simply by exchanging the solvent. The complexity and high control of the structure of this multicompartment cylinder is unmatched and can most likely not be obtained by solution based self-assembly.
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Anaerobic Carbon Monoxide Dehydrogenase: Mechanism of CO-Oxidation at the [NiFe4S4OHx] Cluster and Nickel-Processing by its ATPase CooC
(2008)
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Jae-Hun Jeoung
- Anaerobic CO dehydrogenases (CODH) catalyze the reversible oxidation of CO to CO2 at a complex metal center containing Ni, Fe and S called cluster C. In this work, a heterologous expression system of CODHII from Carboxydothermus hydrogenoformans in E. coli and the crystal structures of CODHII in different states are reported. CO2 bridging the Ni-Fe1 site is observed in a reduced state with exogeneously supplied CO2-source, and is reductively activated by binding to cluster C. The ligand CO2 completes the square-planar coordination of the Ni ion and replaces the H2O/OH- ligand at the Fe1 ion in the other two states. The H2O/OH- ligand is replenished by a neighboring network of water molecules. Protons produced from the reversible CO oxidation are expelled through a semi-conserved histidine channel. The mutation of His96, one of four semi-conserved histidines to Asp diminished CO-oxidation activity to 2.7% of wild-type, indicating its essential role in catalysis. The structure of H96D CODHII reveals that the abolished activity is not originated from protein misfolding and/or absence of metal centers in the protein. Another variant of CODHII devoid of cluster C, but containing clusters B and D, was structurally characterized. This cluster C-missing CODHII shows an identical protein scaffold to the structure of active enzyme, and the residues coordinating the metals of cluster C display the same location as the active wild-type enzyme. From all metals of cluster C, only the Fe1 ion displays an alternative position, which appears to be the reason for the obseved cluster C heterogeneity. The structures presented in this work define the mechanism of CO oxidation/CO2 reduction at the Ni-Fe site of cluster C and show the channels that facilitate the transport of substrate/product during catalysis. The ATPase CooC1 from C. hydrogenoformans belongs to the MinD family of the SIMIBI class NTPases containing a deviant walker A motif. The protein has been proposed to participate in the maturation of cluster C of CODH (Jeon et al, 2001). As-isolated CooC1 shows monomeric state in solution with a molecular weight of 32 kDa. The presence of Ni(II) induces dimerization of CooC1, and the protein binds one Ni(II) per dimer with nanomolar affinity. The crystal structure of Metal-bound CooC1 clearly identified the conserved CXC motif as the metal-binding site, which is responsible for the dimerization. In solution, CooC1 also undergoes nucleotide-dependent dimerization and forms a stable dimer in the presence of ATP. The K8A CooC1 mutant, where Ala replaced the signature Lys is incapable of both ATP hydrolysis and ATP-dependent stable dimer formation. Compared to other structural homologues of the MinD family, the ATP-induced dimer structure of CooC1 shows a different conformation than the Ni-induced dimeric state. On the basis of biochemical data and structures of CooC1 in combination with a model of ATP-driven dimerization, a reaction cycle of CooC1 in Ni-processing for the maturation of cluster C is presented.
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Aluminium stabilizes dissolved organic matter by precipitation
(2008)
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Thorsten Scheel
- It is well known that carbon mineralization in acidic forest soils can be reduced by large Al concentrations. Precipitation of dissolved organic matter (DOM) by dissolved Al could contribute substantially to C retention in acidic forest soils. However, no information is available on the properties of precipitated organic matter (OM) and its stability against microbial decay although that might be an important mechanism for long-term carbon storage in soils. Therefore, I investigated the influence of (i) the DOM composition, (ii) the pH of precipitation, and (iii) the Al/C ratio in solution on the amount of OM precipitated, the associated changes in its composition, and the resulting stability of precipitated OM against microbial decay. Between 13 and 84% of the C in solution was precipitated, depending on pH, Al/C ratio, and the composition of DOM. I observed preferential precipitation of aromatic compounds and enrichment of carboxylic C in precipitated OM, being associated by depletion in N and enrichment in P. The type of bonds between OM functional groups and the Al cations was independent of pH, Al/C ratios and solution composition. FTIR spectra indicated ligand exchange as possible binding mechanism. Furthermore, exoenzymes were present in a functional state in precipitated OM. Carbon mineralization of DOM was up to 28 times larger than that of the respective precipitated OM. Only 0.5-7.7% of precipitated C was mineralized during 7 weeks of incubation. When precipitated OM remained in solution the reduction in C degradation by precipitation amounted up to 65%. This increase in stability by precipitation was significantly correlated with the amount of C precipitated. Thus, the bonds between Al and carboxylic groups of aromatic compounds with low N contents resulted in a reduced bioavailability of C. I found no indication for toxic effects of Al. The enzyme activity found in precipitates significantly increased the percentage of C mineralized of precipitated OM. However, after eight weeks of incubation the correlations between enzyme activity and C mineralization disappeared, despite substantial enzyme activity and C being still present. Thus, degradation of precipitated OM seems to be governed by enzyme activity during the first degradation phase, but the long term stability of precipitated OM is probably related to its chemical properties and structure, e.g. floc size. The Al cations linked a large number of molecules of OM up to floc sizes of 110 µm in diameter, with smaller sizes on average at pH 3.8 (16.6 µm) than at pH 4.5 (27.6 µm). For a floc of 10 µm about 80 million molecules needed to be spatially aggregated. Thus, the spatial accessibility of OM was considerably reduced in these flocs leading to additional stabilization, besides the intrinsic stability of the organic compounds and the complexation by Al. The observation that only a certain fraction of precipitated OM is prone to degradation by enzymes supports this. I conclude that precipitation of DOM is an important mechanism for the long-term carbon stabilization in mineral horizons of acidic forest soils. Changing environmental conditions can affect both the amount of OM precipitated and the degradability of the precipitate. Thus, more focus should be laid on the influence of OM precipitation on C retention and sequestration in acidic forest soils.
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Adaptation or physiological constraint: Temperature-mediated plasticity in Reproduction.
(2008)
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Marc Johan Steigenga
- Da Lebewesen in der Natur oft mit Temperatur variation konfrontiert werden, sind sie gezwungen, sich entweder plastisch oder genetisch an diese wechselnden Umweltbedingungen anzupassen. Weil die Eigröße von Arthropoden, und damit auch die Größe ihrer Nachkommen, aus evolutionärer sowie ökologischer Sicht eine wichtige Eigenschaft darstellt, zeigt die Fortpflanzung von Arthropoden häufig eine durch die Temperatur vermittelte phänotypische Plastizität. Die vorliegende Studie, in welcher der tropische Schmetterling Bicyclus anynana als Modellorganismus verwendet wird, konzentriert sich auf die Mechanismen, welche der temperaturvermittelten reproduktiven Plastizität zu Grunde liegen. Ein Halbgeschwister-Verpaarungsexperiment (Kapitel 5.2) zeigte, dass die Eigröße von B. anynana in Abhängigkeit von der Temperatur schwankt. Weiterhin ergab sich, dass die Plastizität von Eigröße eine erbliche Komponente aufweist. Die additiven genetischen Effekte auf die Eigröße waren jedoch schwach ausgeprägt und unterschieden sich ziemlich stark von anderen Studien, welche sich der Eigrößenerblichkeit von Bicyclus anynana widmeten. Im Gegensatz zur additiven genetischen Varianz waren die mütterlichen Effekte in dieser Untersuchung durchgehend hochsignifikant, was eine relativ hohe Erblichkeit der mütterlichen Anteile zur Folge hatte. Die naheliegendste Erklärung ist, dass die maternalen Effekte vom weiblichen Genotyp stammen. Diese Resultate implizieren, dass die durch die Temperatur vermittelte Eigrößenplastizität bei dieser Art adaptiv sein könnte, da die notwendigen Bedingungen für das Auftreten evolutiver Veränderungen von phänotypischer Plastizität erfüllt sind. Nicht-genetische parentale Effekte können den Phänotyp ebenfalls stark beeinflussen und sind möglicherweise adaptiv. Maternale Effekte könnten in der Lebensgeschichte von B. anynana eine erhebliche Rolle spielen. Mit Hilfe eines Temperaturtransfer-Experimentes (Kapitel 5.2) wurden beträchtliche generationenübergreifende, parentale Effekte festgestellt, welche in der Frühentwicklung am stärksten ausgeprägt waren und sich mit der Zeit verringerten. Höhere Temperaturen während der Entwicklung verminderten Entwicklungszeiten und Eigröße und ließen die Eizahl ansteigen, wirkten sich jedoch nicht auf das Puppengewicht aus. Die Temperaturbedingungen in der vorhergehenden Generation beeinflussten, ähnlich der Entwicklungstemperatur, die Entwicklungszeit der Puppen und Larven, die larvale Wachstumsrate sowie die Eigröße. Darüberhinaus wirkten sie sich auf das Gewicht der Puppen aus, nicht jedoch auf die Eizahl. Parentale Effekte sind daher wichtige Vermittler der phänotypischen Plastizität von B anynana und können antagonistisch auf verschiedene Fitnesskomponenten wirken, welche die Evolution der generationenübergreifenden adaptiven Plastizität bei dieser Schmetterlingsart einschränken könnten. Derartige phänotypische Plastizität könnte auf Variation in Juvenilhormon-Titern zurückzuführen sein, vor allem wegen seiner weitverbreiteten regulatorischen Rolle in der Lebensgeschichte von Insekten. Weibliche B. anynana-Schmetterlinge, denen am 4. oder 5. Tag ihres adulten Lebens Pyriproxifen (Kapitel 6.1), ein Analog von Juvenilhormon, verabreicht wurde, wiesen, verglichen mit den Kontrolltieren, gesteigerte Eiablageraten bei verkürzter Lebensdauer auf. Die Auswirkungen von Pyriproxifen waren vorübergehend und auf einige Tage nach der Anwendung beschränkt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Weibchen zu Beginn ihrer Eiablageperiode am sensibelsten auf Pyriproxifen reagieren. Dies stimmt mit der Tatsache überein, dass der Juvenilhormontiter bei anderen Lepidopteren in dieser Zeit von Natur aus ansteigt. Weiterhin könnte durch Juvenilhormon ein möglicher ‚Trade-off‘ zwischen gegenwärtiger und zukünftiger Fortpflanzung gesteuert werden. Effekte der Temperatur auf die Eireifung wurden bislang wenig untersucht, wobei verschiedene alternative Hypothesen versuchen, phänotypische Plastizität bei der Fortpflanzung zu erklären. Ein Temperaturtransfer-Experiment mit anschließender Ovarienpräparierung bei B. anynana-Weibchen (Kapitel 6.2) ergab einen gesteigerten Fortpflanzungsaufwand mit einer höheren Anzahl kleinerer Eier bei der höheren Temperatur und einer kleineren Anzahl größerer Eier bei der niedrigeren Temperatur. Die Anzahl unchorionisierter Oozyten fällt während der Eiablage von einem anfänglichen Höhepunkt zu einer geringeren Zahl hin ab, wobei die Anzahl chorionisierter Oozyten während den Tagen 0-6 der Eiablage am höchsten war. Der prozentuale Anteil stieg zu Beginn der Eiablage aufgrund von Chorionisierung, gefolgt von einem späteren Rückgang. Die Zahl der Oozyten unterschied sich nicht zwischen den Temperaturen, aber die Größe der terminalen Oozyten stieg bei niedrigerer Temperatur eindeutig an. Paarung minderte die Anzahl chorionisierter und unchorionisierter Oozyten. Dies lässt darauf schließen, dass die Paarung einen wichtigen Stimulus für die Eiablage darstellt, ohne den unverpaarte Weibchen ihre Eier so lange wie möglich zurückbehalten. Angesichts gleichbleibender Oozytenzahlen in den Ovarien über alle Temperaturen zu jedem Zeitpunkt, aber stark verminderter Eiablageraten bei niedrigeren Temperaturen, deuten die Daten auf verminderte Raten der Oozytenproduktion bzw. Differenzierung bei niedrigeren Temperaturen hin.
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Untersuchungen zum Verhalten von hochgequollenen lyotropen Phasen mit Calcium-, Magnesium- und Natriumdodecylsulfat
(2008)
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Amelie Sabine Zapf
- Calciumdodecylsulfat (CDS) besitzt einen Krafftpunkt von 50°C und ist deshalb bei Raumtemperatur in Wasser als Tensid völlig inaktiv. Mit Cotensiden wie Hexanol oder Oktanol wird aber die kritische Mizellbildungskonzentration unter die Löslichkeit von CDS gedrückt, so dass quellende lyotrope lamellare Phasen gebildet werden. Das Phasenverhalten der Systeme aus CDS/Wasser mit Hexanol bis Dekanol wurde im hochverdünnten Bereich bei 25°C ermittelt. Alle Mehrphasengebiete konnten nach der Phasenregel richtig eingeordnet werden. So wurde nachgewiesen, dass die als L3m bezeichnete isotrope Phase eine zweiphasige "stabile" Dispersion von lamellaren Fragmenten in der wässrigen L1-Phase ist. Genau untersucht wurden die mit Heptanol bis Dekanol erhältlichen Schillerphasen. Es wurde festgestellt, dass diese Phasen stark durch den Restgehalt von Elektrolyt im Tensid verschoben werden können. Der Weg zur optimalen Ermittlung der Schillerphasen wird aufgezeigt. Das Cotensidkonzentrationsfenster der Existenz von Schillerphasen wird mit steigender Kettenlänge des Cotensids drastisch enger. Beim Dekanolsystem ist dabei die Grenze mit einer Cotensidtoleranz von nur noch etwa 0,2% erreicht. Die Schillerphasen sind stark temperaturabhängig. Sie existieren beim Dekanolsystem nur zwischen 23 und 32-37°C, je nach Tensidgehalt. Nach Hitze-/Kälteschock erfolgt Rückbildung erst nach etwa einem Monat. Während bei Heptanol, Oktanol, Nonanol und Dekanol Farben gefunden werden, aus denen auf gewöhnliche Lamellendicken geschlossen werden kann, weisen die Farberscheinungen beim Dekanolsystem bei Salzzusatz scheinbar auf Lamellen doppelter Dicke hin. Der "ungewöhnliche Effekt" tritt hier erstmals auf. Beim Ersatz des CDS durch Magnesiumdodecylsulfat (MDS) wurde zwar ein analoges Phasenverhalten wie beim CDS-System erhalten. Mit Heptanol als Cotensid werden bei etwa der doppelten als aufgrund der Lamellendicken erwarteten Konzentration Schillerphasen mit leuchtend roten Farben gefunden, die allerdings nur kurze Zeit stabil bleiben. Wegen der schnellen Effekte wurde eine Methode entwickelt, mit der die UV-vis-Peakposition aus photographischen Aufnahmen über die RGB-Werte genau ermittelt werden kann. Durch Salzzusatz wird das Verschwinden der transienten Farben stark verlangsamt. Zwischen verdünnten und kondensierten La-Phasen liegt eine Mischungslücke, die sich mit sinkender Cotensidkettenlänge schließt. Bei Hexanol ist der Grenzfall erreicht: ein enger Einphasenkanal existiert bei 23-33°C. Die Mischungslücke entsteht im Wesentlichen durch die Wechselwirkung aus Undulationsabstoßung und van der Waals-Attraktion. Da L3-Phasen in ionischen Systemen ohne Öl nicht erwartet werden, wurden Neutronenstreumessungen und elektronenmikroskopische Untersuchungen durchgeführt, die die L3-Struktur klar bestätigten. Die Peakpositionen von lamellarer und benachbarter L3-Phase sind aber nur wenig gegeneinander verschoben. Aus den Neutronenstreudaten wurden für die L3-Phasen stets um 15-35% höhere Lamellendicken als für die entsprechenden lamellaren Phasen ermittelt. Es wird eine sichere Methode angegeben, die ungeeichte 16 m-Messung automatisch an die geeichte 4 m-Messung anzupassen. Zudem wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Messungen bei verschiedenen Detektorweiten automatisch zweidimensional aufgetragen und ausgewertet werden können. Mit Dekanol wird bei 25°C keine L3-Phase mehr gefunden. Im Natriumdodecylsulfat (SDS)/Oktanol/Wasser-System kann die Coulombwechselwirkung durch NaCl-Zusatz verringert werden, so dass ebenfalls Schillerphasen entstehen. Die Farben passen wieder nur zu Lamellen doppelter Dicke, die Farben bleiben hier aber wochenlang erhalten, bis sich wieder die gewöhnliche lamellare Phase bildet. Das Quellungsverhalten der lamellaren und der transienten Phasen kann durch UV-vis-Spektroskopie untersucht werden. In Küvetten mit einer Schichtdicke unter 2 mm sind die Phasen so stark wandorientiert, dass Licht nahezu ausschließlich in Rückwärtsrichtung gestreut wird. Sowohl die gewöhnliche lamellare Phase als auch die neue transiente Phase zeigen in allen Fällen Quellungsverhalten proportional zum Volumenbruch des Tensids. Bei den Systemen CDS/Dekanol/NaCl/Wasser, MDS/SDS/Heptanol/Wasser und SDS/NaCl/Oktanol/Wasser sind sogar die Peaks beider Phasen gleichzeitig vorhanden. Der transiente Peak verschwindet, der kurzwellige stationäre Peak bleibt erhalten. Die transienten Farben können nach dem Verschwinden durch geeignete Scherung wiederhergestellt werden. Die elektrische Leitfähigkeit der transienten Phasen liegt deutlich über der der gewöhnlichen lamellaren Phasen. Daraus wird geschlossen, dass die transiente Phase aus einer hochgeordneten monodispersen Vesikeldispersion besteht. Die Ordnungsbildung erfolgt durch hydrodynamische Wechselwirkung unmittelbar nach dem Abschalten der Scherung. Geringe Coulomb- und Undulationskräfte können die Rückbildung der planaren lamellaren Phase verzögern.
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Freisetzung von photolabilen und reaktiven Halogenverbindungen aus salzhaltigen Aerosolen unter simulierten troposphärischen Reinluftbedingungen in einer Aerosol-Smogkammer.
(2008)
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Frank Siekmann
- Aus Feldmessungen in arktischen Gebieten weiß man, dass es im Frühjahr Zeiträume gibt, bei denen die Ozonkonzentration in der polaren Troposphäre deutlich abnimmt. Die zum Teil drastische Ozonabnahme wird auf das Vorhandensein von reaktiven Halogenverbindungen zurückgeführt, insbesondere von bromhaltigen Komponenten. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, die Freisetzung von reaktiven Halogenverbindungen aus Salzaerosolen in Smogkammer-Versuchen zu simulieren und die Einflussgrößen auf die jeweiligen Radikalkonzentrationen zu ermitteln. Hierzu wurde an der Universität Bayreuth eine Teflonfolienkammer in einem neuen Kältelabor aufgebaut, worin sich Temperaturen bis -25°C einstellen lassen. In der Kammer wurden Gemische von Ozon, Kohlenwasserstoffen und künstlichem Seesalz-Aerosol mit einem Sonnensimulator aus UV- und Solarienleuchtstoffröhren bestrahlt. Aus der Konzentrationsabnahme der Kohlenwasserstoffe konnten die OH- und Cl-Radikale und aus dem Abbau von Ozon die Br-Atome in ihrem zeitlichen Verlauf bestimmt werden. Ein erster Schritt bei den Smogkammerversuchen bestand in der Erzeugung des so genannten „Sea-Spray“ aus Salzlösungen mit einem Ultraschallvernebler. Die dabei erzeugten Aerosoltröpfchen hatten Durchmesser < 1 µm und lagen hinsichtlich ihrer Massendichte von 0,1 bis 2 mg/m³ in Bereichen, die für die troposphärische Mischungsschicht der Arktis charakteristisch sind. Wegen der unvermeidlichen Abnahme der Aerosoldichte durch physikalische Abscheideprozesse konnte die Entwicklung der Reaktionen nur über einen Zeitraum von etwa 3 bis 4 Stunden beobachtet werden, der eine Abhängigkeit von der Anfangskonzentration des Aerosols aufwies. In einigen Versuchen wurde ein stärkerer Sonnensimulator eingesetzt (Osram, HMI), bei dem die UV-Intensität gegenüber der natürlichen Sonneneinstrahlung deutlich angehoben ist. Die intensivere Einstrahlung im UV-Bereich beschleunigt die Ozonphotolyse und bewirkt somit auch ein höheres OH-Niveau (maximal 108 Moleküle cm-3). OH-Radikale können durch die Aufnahme in Aerosolpartikel und Folgereaktionen und die direkte Reaktion mit gasförmigem HX reaktive Cl- und Br-Verbindungen freisetzen und so eine schnellere Einleitung der Halogenkreisläufe bewirken. Der stärkere Sonnensimulator erleichterte und verbesserte die Auswertung der Halogenfreisetzung in den 3 bis 4 Stunden nutzbarer Versuchsdauer und kompensierte teilweise den Nachteil des kurzen Beobachtungszeitraums. Die Zusammensetzung der Salzlösungen (insbesondere der Bromidgehalt) zur Erzeugung der Aerosole hatte einen maßgeblichen Einfluss auf die Halogenaktivierung und damit auch auf den Ozonabbau. Daher wurde die Zusammensetzung der Salzlösung durch Erhöhung des Br-Anteils variiert (vom natürlichen Gehalt im Meerwasser, 0,3%, auf ca. 1%). Unter natürlichen Bedingungen kann ein erhöhter Halogenanteil durch die Bildung von z.B. Meereisblumen hervorgerufen werden. Bei diesen Versuchen mit hohem Br-Gehalt wurden Konzentrationen von [Cl] = 105–106 cm-3 bzw. [Br] = 107–108 cm-3 bestimmt. Für Cl ist der Wert in der Smogkammer während der Phase der Ozonabnahme ca. 10-fach höher als unter polaren Bedingungen. Die Br-Radikale weisen dagegen unter natürlichen Bedingungen der polaren Troposphäre annähernd die gleichen Konzentrationen wie unter Smogkammer-Bedingungen auf. Es ist daher anzunehmen, dass die Aerosole mit erhöhtem Bromidanteil auch von großer Bedeutung für den Ozonabbau in den polaren Regionen sind.
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Influence of natural organic matter on the mobility of arsenic in aquatic systems, soils and sediments
(2008)
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Markus Florian Bauer
- The element As is today recognized as one of the most dangerous inorganic contaminants and threats for the world’s water resources. Arsenic is ubiquitious in the earth crust and humans are especially affected through As polluted drinking water supplies. The occurrence of high As groundwater concentrations is often caused by geogenic processes of As release from the solid phase and accumulation in the water phase. Many contaminated aquifers are also characterized by high concentrations of natural organic matter (NOM). Previous studies showed that NOM presence may affect As mobility, but we are lacking evidence about the reactions pathways and about the importance As-DOM interactions in the environment. We therefore focussed on studying reactions between NOM and As, including redox reactions, complexation, colloid formation and sorption competition in laboratory experiments. Moreover we also studied As behaviour in columns experiments and wetland soils rich in organic matter. Arsenic mobility strongly depends on its redox state. Dissolved organic matter was previously found to be redox active but its redox properties are only poorly understood. In laboratory experiments we therefore elucidated the electron transfer characteristics of different DOM samples. The results showed the high potential of humic substances to chemically reduce different Fe(III) complexes and oxidize H2S and metallic Zn. Reactions occurred over short periods of time with reaction rates in the range from 0.03 to 27 h-1. Under otherwise identical conditions rising DOC concentrations caused higher total electron transfer. This supports the assumption that functional groups of DOM, such as quinones, were indeed the redox active moieties involved in the redox reactions. The calculated electron transfer capacities (ETC) ranged from 0.07 to 6.2 mequiv (g C)-1. The wide range of observed reaction rates and ETC values could be related to the different redox potential of the inorganic reactants used. This suggests that DOM molecules contain redox active moieties with different redox potential and that they possibly represent a redox ladder with the capacity to buffer electrons over a wide range of redox conditions. Humic substances also influenced the As redox speciation as dissolved H3AsO4 was - either chemically or microbially- reduced to H3AsO3 in DOM solution. No oxidation of As(III) to As(V) was found in these experiments. The presence of organic matter thus changes the redox speciation of As as well as that of other environmentally relevant elements like Fe or S. This possibly also contributes to a higher mobility of As due to the presence of reduced As and Fe species. The formation of complexes on mineral surfaces is one of the most important immobilization processes for As in soils or sediments. DOM strongly interfered with this As sequestration mechanism due to aqueous and surface complexation reactions. Humic substances were found to prevent the precipitation and sedimentation of iron oxide minerals and promote the formation of DOM and Fe containing colloids at aqueous molar Fe/C ratios of up to 0.1. This impeded the co-precipitation and sedimentation of As with Fe mineral structures and increased the amount of mobile As. Arsenic and Fe content were correlated in the different particle size classes was, suggesting As binding to Fe e.g. in cation bridging complexes or DOM stabilized Fe oxide colloids. DOM sorption on synthetic goethite and natural soil and sediment samples also caused a release of As from these solid phases due to sorption competition for mineral binding sites. Especially the weakly adsorbed fraction of As in the natural samples was affected by this process. Both the formation of aqueous complexes or colloids and the sorption competition in the presence of DOM lead to higher As concentration in the water phase and demonstrate the potential of humic substances to increase As mobility. In the studied laboratory columns As redox transformation and complexation by DOM could not be identified. Instead As mobilization was dominated by microbial processes in these experiments. At DOM input concentrations between 5 and 100 mg L-1 the release of As occurred mainly due to the reductive dissolution of the Fe oxide sorbent phase during microbial respiration. The occurrence of sulfate reduction and the precipitation of sulfide minerals at the highest DOM concentrations did not represent a substantial immobilization mechanism. The studied wetland soils represent natural sinks for geogenic As. Fe oxides were the main As sorbents, which is surprising as both soils were temporarily water saturated and likely under reducing conditions. Moreover, the high porewater DOC concentrations and the high organic carbon content in the solid phase apparently did not interfere with As sorption on the iron phases in these soils. Chemical extractions also showed that smaller As fractions were associated with solid phase organic matter pool and with a not identified residual pool, likely sulfide minerals. However, as most As was bound to Fe oxides its fate was strongly affected by changing redox conditions. Fast As immobilization sorption occurred under dry conditions when Fe was oxidized and precipitated, while short-term mobilization of As and Fe in their reduced form was observed upon rewetting. These soils therefore are As sinks as long as oxic conditions are maintained but may turn into As sources when reducing conditions prevail for longer periods of time. Organic molecules influence the redox state and the complexation of As and are able to shift As partitioning in favour of the solute phase. Our results showed that especially the association of As with aqueous complexes and colloids has a strong potential to reduce As retention and increase As mobility. This has to be considered in future studies of As behaviour in aquifers, surface waters, soils or sediments rich in organic substances. Peatland soils were found to represent sinks for geogenic As, showing that the presence of organic matter not necessarily prevents As immobilization. It also depends on the biogeochemical conditions whether an organic matter rich system will accumulate or release As.
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Water permeability of plant cells measured by pressure probes: effects of light and turgor, and the role of unstirred layers
(2008)
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Yangmin Kim
- The dissertation focuses (i) on an analysis of effects of unstirred layers (USLs) during measurements of water permeability (hydraulic conductivity) at the level of single cells, during measurements with the cell pressure probe (CPP) and (ii) on the use of the latter technique to investigate changes in water permeability of leaf cells in response to light. Internodes of the giant green alga Chara corallina and parenchyma cells of corn leaves were used in the studies. Besides the water, the CPP has been employed to study solute flows across cell membranes. This allowed evaluating the role of different types of USLs. In response to claims, recently raised by Tyree et al. (2005) that USLs play a significant or even dominating role in measurements of transport coefficients with the cell pressure probe, a rigorous re-examination of effects of USLs with Chara internodes has been performed indicating a minor role of USLs. For the first time, responses of cell water relations to light have been worked in some detail. Light effects have been separated from those of turgor in intact tissue cells by compensating for transpiration. At low light (LL) intensity (100 to 650 micromol m-2 s-1), hydraulic conductivity of a cell (cell Lp) increased with increasing light intensity by a factor of 2 to 6 in 10 min. However, at high light (HL) intensities of 800 and 1800 micromol m-2 s-1, there was a decline of cell Lp with increasing light intensity at constant cell turgor by factors of 14 and 35, respectively. The effects of LL refer to literature data of overall measurements of the leaf conductances (Kleaf). Decreases of Kleaf at HL have not yet been separated for effects of turgor or light intensity, respectively (as done here). The responses to HL were most likely caused by an oxidative gating of water channels (aquaporins; AQPs), as indicated by the fact that (i) application of reactive oxygen species (ROS) resulted in responses similar to those of HL and (ii) HL effects could be reversed in the presence of the antioxidant glutathione. For the first time, the data indicate an interaction between water relations and light intensity/photosynthesis, which is most likely related to changes in the redox status of leaves.
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Effects of Cadmium on Calcium homeostasis and physiological conditions of the freshwater Mussel Anodonta anatina
(2008)
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Thi Thuy Huong Ngo
- Summary As the result of the worldwide decline of freshwater mussels, some significant wetland and riverine habitats are threatened. It has been shown that cadmium (Cd), among other heavy metals, is present at surprisingly high levels in freshwater pearl mussels from mountain brooks in central Europe. This metal is likely to be one of the factors involved in the decline because of its high toxicity, bioaccumulation potential and transfer through food chains. In natural ecosystems, aquatic animals are usually exposed to Cd from both the dissolved- and the particulate-phase, and at lower levels than those used in standard toxicity testing. The aim of this study was to investigate the effects of environment-like Cd levels on its bioaccumulation, tissue distribution and on the redistribution of background Cd (Cd present in animals prior to the experiment) among body compartments of the freshwater mussel Anodonta anatina by exposure to both algae- and water-borne 111Cd (about 0.2 µg/L) for 35 days followed by 120 days of depuration. Furthermore, the effects of Cd on calcium (Ca) homeostasis, condition index, energy reserves, carbonic anhydrase activity and their correlations were examined and evaluated. Before mussels were exposed to Cd, a Cd-exposure experiment with the green algae Parachlorella kessleri was carried out for producing 111Cd-loaded algae suitable for exposed mussels as food of the same quality as non-contaminated algae. P. kessleri were grown at four Cd concentrations (0, 0.5, 2, 8 and 32 µg/L) for 5 days, starting from day 2 after inoculation. At 8 µg Cd/L and higher, Cd showed clear effects on algal growth, cell morphology, size and algal physiological state. The minimum Cd concentration at which the algae were significantly different from the control group was about 3 µg/L. At a Cd concentration of 2 µg/L, algae exhibited a comparable physiological state to the control which was used to grow 111Cd-carrying food for the test mussels. In the mussel exposure experiment, different types of samples were taken. Hemolymph (HML), extrapallial fluid (EPF), gills, mantle, digestive gland, kidney and other tissues were used to determine total Cd, the 114Cd/111Cd isotope ratio for studying Cd accumulation, distribution, elimination and redistribution of background Cd, and its effects on other element profiles (Ca, Mg and Zn). Effects of Cd on energy reserves (glycogen, glucose and proteins) and on carbonic anhydrase were investigated in the body fluids (HML and EPF), gills, mantle and digestive gland. During the exposure phase, newly incorporated Cd increased in all body compartments, the highest levels occurring in the kidney. Elimination of newly incorporated and background Cd was slow and mainly from the digestive gland; the increase of newly incorporated Cd in the mantle and of newly incorporated and background Cd in the kidney during exposure and the first half of depuration indicated the mobilization of the Cd pools from other body compartments and deposition in this organ. Ca concentrations in the body fluids increased during Cd exposure; at the same time, they were lowered in most organs, remaining unchanged only in the gills. Simultaneously, depletion of glycogen in the mantle and digestive gland accompanied by a rise in glucose and a decrease in protein levels in the HML and EPF were observed. This entailed a sharp decrease in condition index and relative dry weight (dw). Significant correlations of Cd with glycogen (mantle, digestive gland) and of Ca with glucose (body fluids) and glycogen (mantle, digestive gland) were found. Concerning enzymatic effects, significantly lower levels of carbonic anhydrase activities were observed in all tested tissues, especially in the gills and digestive gland; strong fluctuations were observed in the HML and EPF with a significant increase right after the rise of glucose in these compartments. The effects of Cd exposure on carbonic anhydrase activities in A. anatina were confirmed by significant negative correlations of both total and cytoplasmic carbonic anhydrase activities with newly incorporated Cd. In conclusion, A. anatina readily accumulates Cd at low exposure levels. This results in unfavorable effects on Ca profiles, energy reserves and carbonic anhydrase activities in tissue-specific and time-dependent manners. The effects are long lasting and entail interactions which finally influence Ca metabolism, e.g. adverse effects on energy reserves and enzyme activities. Among the organs, the digestive gland appears to be actively involved in the uptake of Cd from the outside environment and in distributing it to other organs via the HML. This makes it more sensitive to Cd exposure than other organs, reflected by a strong depression of glycogen, carbonic anhydrase activity and Ca level. HML and EPF are important compartments playing a crucial role in uptake and distribution of Cd, revealed by its effects on all tested parameters, i.e. Ca, glucose, proteins and carbonic anhydrase. The gills seem to be less sensitive due to their high amounts of calcareous concretions. The kidney acts as Cd sink for later excretion. Overall, these findings show that Cd at environment-like levels has distinct biochemical, toxicological and pathological effects which may constitute a critical component in the multitude of environmental factors leading to the observed general decline of freshwater mussel populations. Keywords: Anodonta anatina; Cd bioaccumulation; Cd redistribution; Ca homeostasis; freshwater mussel; stable isotope 111Cd; condition index; glycogen; glucose; protein; energy reserves; carbonic anhydrase; subcellular distribution of carbonic anhydrase; Parachlorella kessleri; Cd-loaded algae.
