OPUS 4 | 5 Naturwissenschaften und Mathematik

Soil erosion and conservation potential of row crop farming in mountainous landscapes of South Korea (2013)

Sebastian Arnhold

Soils play an essential role for mankind because they provide fundamental ecosystem services required for human life, primarily for the production of food by providing the environment for plant growth. However, soils worldwide became highly threatened by human induced degradation, especially as a consequence of accelerated erosion by water during recent decades. In consideration of climate change and an increasing food demand of a rising population, there is an urgent need to conserve the soil resources by implementing effective erosion control measures for agricultural production. The effective implementation of those measures strongly depends on the specific conditions of particular regions and requires the analysis of the existing farming systems and their capability for erosion control. Objective of this thesis is the analysis of the major agricultural practices applied for row crop cultivation in mountainous watersheds of South Korea with respect to water erosion and the identification of their conservation potential. Our first two studies analyze the subsurface flow processes, the runoff patterns, and the associated erosion rates of the widely applied plastic covered ridge-furrow system (plastic mulch), and our third study investigates the impact of herbicide applications on erosion associated with conventional and organic farming. To analyze the flow processes induced by the plastic mulch cultivation, we conducted four irrigation experiments on potato fields that represent a smooth surface, uncovered ridges, and plastic covered ridges with and without a developed crop canopy. With an automatic sprinkler, we irrigated small plots with a dye tracer solution of Brilliant Blue and potassium iodide, collected surface runoff, and excavated soil profiles to visualize the subsurface flow patterns, which were subsequently analyzed by image index functions. We found that the ridge-furrow system, especially when ridges are covered with plastic, decreased infiltration and generated high amounts of surface runoff, whereas a developed crop canopy increased infiltration due to interception and stem flow. The analyses of the subsurface flow patterns show that the plastic covered ridge-furrow system induces preferential infiltration in furrows and planting holes due to its topography and the impermeable covers, but that the impact on flow processes in the soils is relatively small compared to the impact on runoff generation. To identify the patterns of overland flow and the erosion rates associated with the plastic mulch system, we installed runoff collectors to monitor runoff and sediment transport of two potato fields with concave and convex topographies, and we applied the EROSION 3D model to compare the plastic covered ridge-furrow system to uncovered ridges and a smooth surface. We found that plastic mulch cultivation considerably increases soil erosion compared to uncovered ridges as a consequence of high amounts of surface runoff. Our results show that the ridge-furrow system concentrated overland flow on the concave field, resulting in severe gully erosion, but prevented flow accumulation and reduced erosion on the convex field, which demonstrates that the effect of this cultivation strategy is primarily controlled by the field topography and its orientation. To analyze the effects of conventional and organic farming on water erosion, we measured multiple vegetation parameters of crops and weeds of conventional and organic farms cultivating bean, potato, radish, and cabbage, and we simulated long-term soil loss rates with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). We found that organic farming reduced erosion for radish, as a result of an increased weed biomass due to the absence of herbicides, but that it increased erosion for potato due to lower crop coverage, presumably as a consequence of crop-weed competition or herbivory associated with the absence of agricultural chemicals. Although we demonstrated that a developed weed cover in the furrows can potentially decrease the erosion risk for row crops, our results show that the average annual erosion rates of both farming systems exceed by far any tolerable soil loss. In consideration of the generally high soil loss found in our studies, we conclude that the applied farming practices are not capable for effective erosion control and soil conservation in this region. However, based on our findings, we could identify possible modifications of those practices that can help to reduce the risk of erosion in the future. We recommend perforated plastic covers for ridges to reduce runoff generation, and the orientation of the ridge-furrow system along the contours or towards field edges to prevent flow accumulation and gully formation. Additionally, we suggest residue mulching of furrows to protect the soil surface from overland flow, and the cultivation of winter cover crops after harvest to maintain a better soil cover throughout the year.

Mineral sequestration of CO2 by reaction with alkaline residues (2012)

Martin Back

With the onset of industrialization within the last 150 years, a significant increase in the concentration of the greenhouse gas carbon dioxide (CO2) is recorded in the atmosphere. According to current scientific understanding the rising atmospheric CO2 levels can be linked with high probability to the observed phenomenon of global warming. Consequently, the reduction of anthropogenic greenhouse gas emissions has become a global challenge of environmental research and policy. In this thesis, a novel approach to achieve a long-term mineral sequestration of CO2 was studied, using alkaline residue materials. This study examined for the first time a process that allows for rapid removal of CO2 from flue gas through reaction with lignite fly ashes in aqueous solution. In this process the basicity of the residues is utilized for mineral trapping of CO2 by precipitating stable calcite. Lignite fly ashes are a cheap, inexpensive, highly reactive byproduct of coal combustion. Due to the exposure to heat, these waste streams generally contain high amounts of reactive Ca/Mg (hydr)oxides and thus offer a high alkalinity. The alkaline residues were therefore not considered as an environmental problem, but rather as useful reactants for technical CO2 neutralization in the context of combustion processes. Carbonates are end-products of weathering processes at the earth surface and mineral carbonation is thus assessed to be a permanent and safe storage option of CO2. Compared to alternative forms of carbon storage (e.g. the injection into gas reservoirs) cost-intensive monitoring programs for safety reasons can be omitted. Also, the carbonation generally leads to heavy metal fixation in the residues, allowing for an environmentally less problematic disposal of the products or even their industrial re-use (e.g. road construction, cement industry). Due to the common high reactivity of alkaline fly ashes no pre-treatment (e.g. grinding, using chemical additives) is needed compared to the use of natural silicate minerals as feedstock material. For these reasons mineral carbonation of alkaline residues can be considered as a process with low costs and low energy consumption, thus making it an interesting CO2 reduction pathway from an economical point of view. In Chapter 1, the mechanisms and rates of reactions between alkaline lignite fly ash and CO2 in aqueous suspensions were evaluated. Aqueous laboratory experiments showed that CO2 from flue gas can be bound directly as carbonate. Additionally, solutions with high dissolved inorganic carbon content are formed, which can be injected into aquifers for mineral CO2 sequestration. As the dissolution rates of the alkaline mineral phases are high, gas phase CO2 transfer into the aqueous phase is mostly the limiting factor for the overall carbonation process. CO2 dissolution is controlled by the solution pH, by the available surface area of the gas/water interface and by the gradient at that interface. The maximum conversion of 5.2 moles of CO2 per kg fly ash (≈ 0.23 kg kg-1) obtained at 75 °C demonstrates the high potential of alkaline fly ashes to sequester CO2. This value accounts for a CO2 sequestration capacity of nearly 3.5 million t of CO2 in Germany alone based on the available lignite fly ash, which corresponds to 2 percents of the CO2 emissions from lignite power combustion (168 million t a-1 in 2009). In Chapter 2, laboratory carbonation experiments are described, which were carried out with the individual mineral phases CaO and MgO in aqueous solution. The process showed parallels with the reactions observed during carbonation of lignite fly ashes, suggesting that Ca and Mg (hydr)oxides can be used as proxies to estimate alkaline waste reaction with CO2 in general. The carbonation of CaO happens fast, occurs at high pH values > 12 and is controlled at the mineral surface by the dissolution of Ca(OH)2. As long as Ca(OH)2 is available CO2 uptake by the system is high and leads to the simultaneous precipitation of calcite (CaCO3). Under similar conditions MgO carbonation is a slower and much more complex process. In the presence of MgO an initial pH of ~ 10.8, indicating solubility equilibrium, was reached. Subsequently, TDIC concentrations and EC increased almost linearly. The pool of MgO based alkalinity can be made available for mineral trapping if the kinetic restrictions for precipitation of Mg-carbonate can be overcome, e. g. by running the processes at higher temperature (> 50 °C) and higher s/l-ratio. Corresponding to related work the precipitation of hydromagnesite (Mg5(CO3)4 (OH)2 ∙ 4H2O) is found for temperatures above 50 ° C already at a suspended amount of 4 g L-1. Precipitation of nesquehonite (MgCO3 ∙ 3H2O)) starts upon a suspended amount of MgO of more than 10 g L-1 at 25 ° C. In Chapter 3 the setup and the results of a model are shown, which was used to simulate and evaluate the process of alkaline material carbonation over time. Experimentally derived specific dissolution rates for CaO/MgO and CO2 are used for the development of a kinetic geochemical model based on the freely available PHREEQC algorithm. The software offers the access to databases, which containing thermodynamic constants of all common dissolved species in natural and industrial processes. Experimental assays conducted in an aqueous carbonation reactor (see Chapter 1 and 2) were used as reference to test the model and evaluate its robustness and sensitivity. The reaction course of the experiments based on the use of the pure phases (CaO and MgO) was successfully reproduced by our simulations. The developed model may thus be used as a valuable tool for the optimization of technical scenarios/facilities for CO2 sequestration. In order to study different mineral sequestration scenarios for calcite precipitation, we used the simulation to test the variation of process parameters and the addition of chemical additives (CaCl2, CaSO4). Finally, the simulation of the carbonation of lignite fly ash was tested using our simplified model based on CaO, MgO, calcite, anhydrite as kinetic reactants. It was shown that advanced techniques to determine the exact mineralogy of combustion residues and the extension of the availability of thermodynamic data of specific mineral phases are necessary to improve geochemical modelling in future work. In Chapter 4, the potential contribution of lignite fly ash to mineral CO2 trapping in a high anhydrite (CaSO4) containing aquifer were analyzed. The study examined the possibility of combining underground CO2 storage and geothermal heat/energy production from an anhydrite rich aquifer. In such a scenario Ca2+ for the precipitation of calcite could be provided from the dissolution of the calcium sulfate. The dissolution of anhydrite concurrently releases acid, being counterproductive with respect to the formation of carbonates. The possibility of pH buffering by the addition of alkaline lignite fly ash is therefore appraised to optimize the conditions of carbonate precipitation. The performed laboratory experiments, as basis for thermodynamic simulations with PHREEC, confirmed that the buffering capacity derived from the fly ashes is essential for calcite precipitation in such a system. Already with an addition of 0.1 weight percent of fly ash per volume of the injection solution the amount of precipitated calcite was maximized. The dissolution of anhydrite is associated with a concurrent increase in pore space and can balance the porespace reduction by precipitation of carbonates and secondary silicates in the geothermal reservoir.

Impact of extreme hydrological conditions on belowground carbon cycling and redox dynamics in peat soils from a northern temperate fen (2012)

Cristian Estop Aragonés

Peatlands have an important role in the global carbon cycle and constitute the largest pool of carbon stored in terrestrial ecosystems due to their disproportionally high areal soil carbon density. This globally relevant carbon stock is the result of a process mostly initiated after the last glaciation period. A key factor for this long term carbon accumulation is the relative low decomposition of organic matter in these predominantly water logged ecosystems. Hydrological conditions play thus a fundamental role in peatlands and the feedback of carbon cycling in these ecosystems in response to climate change is under debate. Peatlands are important CO2 sinks but also constitute global sources of CH4. The atmospheric exchange and production rates of these greenhouse gases are strongly influenced by the hydrological regime. An increased frequency of extreme meteorological conditions resulting in drying and flooding events is predicted to occur in the future. The major issue regarding the climate change debate at the global scale is how rapid these greenhouse gases are being released to the atmosphere. Despite the general consensus regarding the broad effects of drying and flooding on CO2 and CH4 exchange, belowground processes producing such greenhouse gases and their response to water table dynamics is underrepresented and usually simplified or overgeneralized. Temperature, moisture, oxygen content and nutrient content are among the major environmental controls for organic matter decomposition rates in peat soils. Another important and intrinsic control is peat quality or humification degree of organic matter. The interrelation and relevance of all these factors vary among sites and with hydrological condition in a temporal and spatial scale. This work presents investigations focusing on belowground redox processes aiming to witness the dynamic interrelation of soil physical and chemical (soil gas and pore water chemistry) variables, and evaluates the relevance of some controls of organic matter decomposition during a wide range of hydrological conditions. Most of this work shows information under in situ conditions and complementary laboratory experiments were performed minding the in situ observations. The findings contribute to general knowledge by providing raw data in fen peats under fluctuating and contrasting water table conditions in a relatively high spatiotemporal resolved scale. Dryings led to increased air filled porosity, O2 intrusion, CO2 degassing, inhibition of methanogenesis and renewal of electron acceptors. The opposite trend occurred upon rewetting with pulses of iron and sulphate reduction and delayed methane production to a variable extent. Upon flooding, continued anaerobic conditions stimulated the accumulation of reduced products, methanogenic precursors (acetate and hydrogen) and CH4. The general assumption that the water table directly controls the oxygen content in peat was relativized. This work shows that such relation is greatly influenced by peat physical properties, which partially control the changes in moisture. Based on these findings, the mineral content and the degree of compaction in organic soils can be implemented to more accurately represent the dynamics of aeration in peats upon water table changes. Another general assumption is that drying events, i.e. temporary decline of water table below mean position, lead to increased CO2 production and emission from peat soils to the atmosphere. Such statement was also relativized and must account for the depth distribution of respiration rates in relation to the mean water table of the peat deposit. Based on these findings, the high relative contribution of upper peat layers already exposed above the water table mask the effects of increased CO2 production in deeper peat upon water table drop. Additionally, the role of moisture was shown to be little for aerobic respiration. This work also evaluates the importance of drought severity by accounting for the post drought effects on methane production. More intense and prolonged drying events led to a greater regeneration of electron acceptors in peat soil, which broadly suppressed or limited methane production upon rewetting. This relation was not simple and several factors such as water table position, post drought water table fluctuations, temperature and organic matter content contributed to the recovery of methane production after drying. The provision of substrates by fermentation processes limited peat respiration during shallow water table and drying. In contrast, accumulation of acetate and hydrogen was observed during flooding indicating a decoupling of fermentation from terminal metabolism and favouring the co-occurrence of iron reduction, sulphate reduction and methanogenesis.

Umsetzung verschiedener didaktischer Theorien im außerschulischen Unterricht: Potentiale und Grenzen des wiederentdeckten Lernorts Bauernhof (2012)

Gabriele Fröhlich

Die Entfremdung von Lebensmittelproduktion und landwirtschaftlicher Praxis sowie das Unwissen über enge Verflechtungen zwischen Umwelt und Landwirtschaft der heranwachsenden Generation (Ernst & Theimer, 2011; Hubert, Frank, & Igo, 2000; Tal, 2008) sind ein allgemeines gesellschaftliches Problem, dem man mit Bildung begegnen kann und sollte (Harms, King, & Francis, 2009). Um diese Themen, im Sinne einer Bildung für nachhaltige Entwicklung, zu vermitteln und so innerhalb der Gesellschaft zu festigen, scheint sich am besten situationsbezogenes und kontext-orientiertes Lernen am außerschulischen Lernort Bauernhof zu eignen (Knobloch, Ball, & Allen, 2007). Kontext-orientiertes Lernen ermöglicht den Schülerinnen und Schülern das in der Schule Gelernte auf den Alltag zu übertragen und so effektiver zu lernen (Bennett, Lubben, & Hogarth, 2007). Das in dieser Studie entwickelte agrarische Umweltbildungsprojekt unterscheidet sich bewusst von bestehenden, zum Teil mehrtägigen und erlebnisorientierten Projekten, indem es Schulpraxisrelevanz für sich beansprucht: Es wird auf Ansprüche und Anforderungen des Lehrplans (fachliche Inhalte, Kompetenzvermittlung, kurze Projektdauer), der Lehrer (einfache Organisation und Durchführbarkeit) und der Schüler (schülerzentrierte und kooperative Lernmethode) Rücksicht genommen und diese bestmöglich umgesetzt. Die Zielsetzungen der Promotionsstudie waren zum einen genauere Untersuchungen zur Naturverbundenheit von Kindern (Teilarbeit A), die Erziehung zu umweltfreundlicherem Konsumverhalten (Teilarbeit B) und eine kognitive Wissensvermittlung durch das entwickelte Projekt (Teilarbeit C). Darüber hinaus wurden noch Schülervorstellungen zur landwirtschaftlichen Praxis am Anfang und Ende der Sekundarstufe I erhoben (Teilarbeit D), um die Wahrnehmung von Landwirtschaft bei Kindern und Jugendlichen in einer modernen Industriegesellschaft besser beurteilen zu können. Das Wissen dieser Vorstellungen ist als Basis zur Erarbeitung effizienter Bildungsmaßnahmen in diesem Bereich erforderlich. Teilarbeit A zeigt sowohl einen negativen Zusammenhang zwischen dem Alter (untersucht wurde der Zeitraum vor dem Einsetzen der Pubertät (9 – 13 Jahre)) als auch einen positiven Zusammenhang zwischen den kognitiven Fähigkeiten (Indikatorvariable: Schulform) und dem Grad der Naturverbundenheit. Frühere Studien (Davis, 2011; Schultz, 2002) zeigten einen engen Zusammenhang zwischen Naturverbundenheit und umweltfreundlichem Verhalten. Dennoch hat sich in Teilarbeit B herausgestellt, dass Naturverbundenheit bei den Bildungsprojekt-Teilnehmern (Durchschnittsalter: 11,5 Jahre) keinen wichtigen Beitrag zur Intention für umweltfreundlicheres Konsumverhalten leistete, ebenso wenig wie das neu hinzugewonnene Wissen. Signifikant hingegen waren die Korrelationen mit situationsbedingten Lernemotionen, die direkt im Anschluss an die Unterrichtseinheit gemessen wurden. Jedoch war das Konsumverhalten nach sieben Wochen wieder auf dem vor der Intervention gemessenem Ausgangsniveau. Wissensvermittlung, die Hauptintention der meisten Bildungsprojekte, erwies sich in Teilstudie C für die teilnehmenden Schüler insgesamt, unabhängig vom Lernort (Klassenzimmer vs. Bauernhof), als erfolgreich. Schlüsselt man die einzelnen Wissensbereiche weiter auf, so ergab sich ein signifikanter mittelfristiger Lernzuwachs bei Mädchen zum Thema Ernährung, und ein signifikanter kurz- und mittelfristiger Lernzuwachs für das Themengebiet Landwirtschaft bei beiden Geschlechtern. Schließlich wurde in Teilstudie D Schülervorstellungen zu den Aufgaben eines Landwirts erhoben. Hierzu wurden Schüler am Anfang der Sekundarstufe I (5./6. Jahrgangsstufe) und am Ende (10. Jahrgangsstufe) befragt. Bei der induktiven Kategorienbildung der qualitativen Inhaltsanalyse nach Mayring (2007) ergaben sich kaum Unterschiede zwischen den Altersgruppen, jedoch lag der Schwerpunkt der Arbeitsaufgaben für die jüngeren Schüler bei den Tieren und für die Älteren bei den Pflanzen. Lediglich ein geringer Anteil der Zehntklässler nannte ökologische Aufgabenbereiche, bei den Jüngeren fehlt dieser Aspekt völlig. Generell zeigten sich sehr stereotype und einfache Vorstellungen bei den teilnehmenden Schülern. Kurze, schülerzentrierte Bildungsmaßnahmen im Bereich der Landwirtschaft und Ernährung können kurz- und mittelfristig Wissen vermitteln, Anregungen für umweltfreundlichere Verhaltensweisen schaffen und positive Lernemotionen stärken, die sich jedoch stark auf das Antwortverhalten der Schüler auswirken können. Zusammenfassend kann man sagen, dass das entwickelte Bildungsprojekt gut geeignet ist, Grundlagen der agrarischen Umweltbildung schülergerecht zu vermitteln. Die Inhalte des Projekts sollten wiederholt in der Schullaufbahn aufgegriffen und altersgerecht vertieft werden, um den Schülern agricultural literacy(Frick et al., 1991) und damit ein realeres Bild über die moderne landwirtschaftliche Praxis zu vermitteln.

Budget and fluxes of nitrogen in mountainous agroecosystems in a summer monsoonal climate under intensive land use (2012)

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.

Geometrische Konstruktionen linearer Codes über Galois-Ringen der Charakteristik 4 von hoher homogener Minimaldistanz (2012)

Michael Kiermaier

In dieser Arbeit werden vier neue unendliche Serien von linearen Codes über Galois-Ringen der Charakteristik 4 konstruiert. Hinsichtlich der Minimaldistanz übertreffen die Gray-Bilder der konstruierten Codes alle bekannten vergleichbaren linearen Codes. In den Konstruktionen wird die Theorie der projektiven Hjelmslev-Geometrien, der Assoziationsschemata sowie der symmetrischen Bilinearformen in endlichdimensionalen GF(2)-Vektorräumen benutzt.

Etablierung von Methoden zur Bioevaluation antitumoraler Naturstoffe, Metabolite und Analoga (2011)

Sebastian Knauer

Die Ziele, die ich mir vor Beginn meiner Arbeit gesteckt habe (siehe 1.3), wurden weitestgehend erreicht. Es wurde ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe Illudin M 11 zuverlässig gewonnen werden kann. Die Aufzucht von O. olearius im Medium HA- und die Extraktion nach Kutscher-Steudel erwiesen sich hierbei als Methoden der Wahl. Illudin S 11a konnte jedoch nicht isoliert werden. Daneben konnte eine Reihe von Verfahren zur Evaluierung von Testsubstanzen etabliert werden. Die Untersuchungen der Substanzeigenschaften (siehe 2.5 bis 2.8) lieferten nützliche und verlässliche Ergebnisse, auch wenn man hinsichtlich des Einsatzbereiches manchmal Einschränkungen in Kauf nehmen musste. Die Stabilität von Esterbindungen wurde auf zwei Arten untersucht. Die getesteten Substanzen 16c, 18 und 19b erwiesen sich hierbei als weitestgehend stabil gegenüber Hydrolyse (siehe 3.2). Die Methode, die zur Untersuchung der Komplexbildung eingesetzt wurde, lässt sich nicht auf alle Verbindungen übertragen, sondern nur auf solche, deren Komplexe ein Absorptionsmaximum im sichtbaren Bereich besitzen (siehe 3.3). Bei den Eisenkomplexen war das Potential der getesteten Liganden, Komplexe zu bilden vergleichbar mit dem von EDTA. Bei den anderen getesteten Kationen war dieses schwächer ausgeprägt. Im Rahmen des Glutathion-Monitorings wurde festgestellt, dass – im Gegensatz zur Muttersubstanz 11 – keines der getesteten Illudinderivate 27 eine spontane Reaktion mit GSH eingeht (siehe 3.4). Der Alkylierungsassay mit Aceton liefert nur für farblose Verbindungen verlässliche Ergebnisse. Bei den getesteten Illudinderivaten 27 konnte zwar ein Alkylierungspotential gemessen werden, doch stellt deren vorhandene Eigenabsorption einen gewissen Unsicherheitsfaktor dar. Der Alkylierungsassay mit Acetophenon lieferte keine verwertbaren Ergebnisse (siehe 3.5). Die zellbasierten Analysen (siehe 2.9 bis 2.11) sowie der CAM-Assay (siehe 2.12) sind für alle Stoffe durchführbar. Auch wenn die untersuchten Organismen (Zellen und Embryonen) nicht immer auf die gleiche Weise reagieren, kommen auch hierbei verlässliche Resultate zu Stande. Da die Zahl der durchführbaren Tests durch Kosten und Verfügbarkeit der Untersuchungsobjekte limitiert ist, wurde hinsichtlich der Testsubstanzen immer eine Vorauswahl getroffen. Beim TUNEL-Test zeigten die meisten Verbindungen ein proapoptotisches Verhalten, besonders gut wirkten die Illudinderivate 27 (siehe 3.6). Der Annexin-Test ist nur bedingt aussagekräftig. Er ließ sich zum einen nur mit Suspensionszellen durchführen, zum anderen war es manchmal kaum möglich, spätapoptotische von nekrotischen Zellen zu unterscheiden (siehe 3.7). Mit Hilfe von Immunoblots wollte man Rückschlüsse hinsichtlich des Mechanismus der Apoptoseinitiierung ziehen. Die schnelle Prozessierung der Caspase 9 legt den Schluß nahe, dass die Platinkomplexkonjugate 13 (HL 60), die Oxazole 26 (Kb-V1), die Illudinderivate 27 (HL 60 und 518 A2) und die Chalkone 20, 21a und 21c (HL 60) zu einer Aktivierung über den mitochondrialen Weg führen. Die anderen Testverbindungen bedürfen weiterer Untersuchungen in Bezug auf den Signalweg der Apoptoseinitiierung (siehe 3.8). Einige Derivate der antivaskulären Verbindung Combretastatin A-4 7a wurden mit Hilfe des CAM-Assays untersucht. Die meisten zeigten hierbei erwartungsgemäß ein vergleichbares Verhalten. Besonders interessant ist der Aktivitätsunterschied der Combretastatin-Analoga 26h und 26i. Dieser wurde sowohl beim TUNEL-Test als auch beim CAM-Assay beobachtet, obwohl sich beide Verbindungen strukturell kaum unterscheiden.

Optische Untersuchung diffusiver Transportvorgänge in mehrkomponentigen Fluiden (2012)

Andreas Königer

Diese Arbeit beschäftigt sich mit diffusivem Massentransport und untersucht diesen in optischen Experimenten. Dabei wird sowohl eine optische Detektion der Transportprozesse verwendet, als auch eine gezielte Manipulation von Teilchenbewegung durch Impulsübertragung bei Absorption und Streuung. Im zweiten Kapitel wird eine hoch empfindliche Zweifarb-Beamdeflection-Anlage als neue Messmethode zur Messung von Diffusion und Thermodiffusion in ternären Flüssigkeitsmischungen vorgestellt. Das Messprinzip beruht dabei auf der Ablenkung von Laserstrahlen im Brechungsindexgradienten einer horizontalen Flüssigkeitsschicht zwischen zwei Kupferplatten. Dieser bildet sich durch die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit des Brechungsindex nach Schalten der Plattentemperaturen aus. Die gleichzeitige Detektion zweier Laserstrahlenwellenlängen erlaubt die Zeitentwicklung der Konzentrationsprofile zu messen. Über ein vollständiges mathematisches Modell des Experiments können alle vier Elemente der Diffusionsmatrix, sowie die beiden unabhängigen Soret- und Thermodiffusionskoeffizienten bestimmt werden. Die Arbeit beinhaltet erste Messungen der beiden symmetrischen Mischungen Dodekan/Isobutylbenzol/1,2,3,4-Tetrahydronaphthalen und 1-Methylnaphthalen/Oktan/Dekan. In einer Analyse der Messfehler durch Monte-Carlo-Simulationen werden die Kontrastfaktoren der Mischungen als limitierender Faktor für die Genauigkeit der Soret-Koeffizienten identifiziert. Weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Messgenauigkeit werden vorgeschlagen. Im dritten Kapitels werden Messungen an dem System Wasser/Isopropanol beschrieben, die im Rahmen einer Internationalen Kooperation durchgeführt wurden. Das teilnehmende Labor an der Universität Brüssel verwendet dazu ein digitales Interferometer. An der Universität in Mondragon wird mit Thermogravitationssäulen und Sliding-Symmetric-Tubes gemessen. Die Messungen dieser Arbeit sind mit Beamdeflection unter Verwendung einer an das System angepassten Messzelle gemessen. Nach einer Beschreibung der Messprinzipien der einzelnen Methoden beinhaltet die Arbeit präzise Messergebnisse der Kontrastfaktoren und Transportkoeffizienten im gesamten Konzentrationsbereich bei den drei Temperaturen T=15°C, 25°C und 35°C. An alle Messwerte der Kooperation zusammen mit den älteren Literaturdaten sind approximierende Splines angepasst, mit denen Referenzwerte definiert werden. Das vierte Kapitel untersucht Thermodiffusion thermosensitiver Kolloide. Diese bestehen aus einem Polystyrolkern (PS) auf den ein Gelnetzwerk aus Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM) aufgebracht ist. Abhängig von der Temperatur der Teilchen quillt und schrumpft die Hülle der Teilchen, was zu stark temperaturabhängigen Transportkoeffizienten führt. Neben einer Darstellung wichtiger Systemeigenschaften werden in dieser Arbeit temperaturabhängige Beamdeflection-Messungen gezeigt, aus denen Diffusions- und Soret-Koeffizienten gewonnen werden. Ein besonderer Schwerpunkt der Messungen liegt bei der Vermeidung von Konvektion. Eine Parametrisierung der Messwerte liefert eine lineare Temperaturabhängigkeit des Soret-Koeffizienten, während bei dem Diffusionskoeffizienten ein quadratischer Term mitberücksichtigt werden muss. Eine detaillierte Studie des Verhaltens einer großen Anzahl von Goldkolloiden in einer optischen Falle ist in Kapitel 5 enthalten. Die untersuchte optische Falle besteht aus einem konvergenten Laserstrahl, der die Kolloide entgegen der Gravitation nach oben an eine Saphirplatte drückt und durch den Strahlungsdruck gegen den osmotischen Druck komprimiert. Alle Experimente mit der Falle sind in einem invertierten Mikroskopaufbau durchgeführt, bei dem die Beobachtung der Teilchen und Einkopplung des Lasers durch das gleiche Objektiv erfolgen. Neben der Entwicklung eines deterministischen Modells enthält diese Arbeit Ergebnisse aus zahlreichen Langevin-Simulationen, mit deren Hilfe der Einfluss der stochastischen Bewegung der Teilchen genau untersucht wird. Damit können einige wesentliche Abweichungen von dem rein deterministischen Verhalten der Teilchen gefunden werden, die auch experimentell bestätigt werden. Bei geringer Laserleistung wird ein monoexponentieller Teilchenverlust gefunden. Für den Durchmesser der Kolloidwolke wird bei Variation der Laserleistung ein Hystereseeffekt nachgewiesen, der sich durch das komplexe Wechselspiel aus Strahlungsdruck und osmotischem Druck aus der Vorgeschichte des Experiments ergibt. Damit ist eine Einstellung der Teilchenzahl in der Falle möglich. Bei Verschiebung der Teilchen in einer sinusförmigen Bewegung ist eine Grenzfrequenz messbar, oberhalb derer die Kolloide der Bewegung nicht mehr folgen können. Abschließend wird die Auswirkung der Temperaturerhöhung an der Kolloidoberfläche diskutiert. In allen durchgeführten Experimenten kann kein Hinweis auf Thermophorese der Teilchen gefunden werden.

Transport und Strukturbildung in magnetischen Hybriden (2012)

Tobias Lang

Ein an Bedeutung gewinnender Forschungsbereich hat die Kombination von Ferrofluiden mit anderen Materialien wie Gummis oder Gelen zum Inhalt. Diese neue Klasse von Hybridmaterialien verbindet die Vorteile von Ferrofluiden mit weiteren nützlichen Eigenschaften. Diese Disserta- tion beschäftigt sich mit der Untersuchung ebensolcher Hybriden. Dazu werden verschiedene Ferrofluide mit Vernetzern kombiniert. Die beiden zentralen Fragestellungen der Arbeit sind: 1. Ist der magnetophoretische Transport von magnetischen Nano- partikeln durch eine Gel-Matrix hindurch und bei moderaten Feld- gradienten von unter 1 T m−1 möglich? 2. Wie wird die Normalfeld-Instabilität im Ferrofluid durch das Auf- bringen einer vernetzten Schicht auf die Oberfläche, beziehungs- weise durch das Vernetzen des gesamten Fluids, beeinflusst? Bei der Vernetzung des gesamten Systems werden zwei Proben be- stehend aus jeweils einem thermoreversiblen Gelator und einem Fer- rofluid verwendet. Eine basiert auf Paraffinöl mit Magnetit-Partikeln (FGSEPS) und eine auf Wasser mit Kobaltferrit-Partikeln (FGP123). Bei der Vernetzung der Fluidoberfläche kommt ein esterbasiertes Fer- rofluid und ein UV-Vernetzer zum Einsatz. Zunächst werden die beiden thermoreversiblen Proben, FGSEPS und FGP123, chemisch charakterisiert. Darauf aufbauend wird eine Unter- suchung ihrer rheologischen Eigenschaften durchgeführt. Es wird ge- zeigt, dass der thermoreversible Charakter der eingesetzen Gelatoren bei beiden Systemen eine Einstellung der gewünschten Viskosität zu- lässt. Bei der frequenzabhängigen Messung von Speichermodul G′(ω) und Verlustmodul G′′(ω) zeigte sich, dass FGSEPS ein viskoelastisches Ferrofluid und FGP123 ein Ferrogel ist. Zusätzlich werden die magneti- schen Eigenschaften von FGSEPS und FGP123, welche für diese Klasse von Hybridmaterialien von zentraler Bedeutung sind, charakterisiert. Aufgrund ihrer hohen Viskosität müssen bei den durchgeführten Mes- sungen Probenhalter nicht-ellipsoidaler Geometrie verwendet werden. Um die dadurch gemachten Messfehler abschätzen und korrigieren zu können, wurden Probenhalter ellipsoidaler Geometrie entwickelt und mit den Verwendeten verglichen. Darauf basierend ließen sich Korrek- turfaktoren für die verwendten Probenhalter ermitteln und damit die Messgenauigkeit des verwendeten Magnetometers wesentlich verbes- sern. Bei den Messungen der Magnetisierungskurven M(Hi) für beide Systeme stellt sich heraus, dass FGSEPS sich entsprechend einer su- perparamagnetischen Substanz verhält. Bei der Magnetisierungskurve M(Hi) des Ferrogels FGP123 kann ein hysteretisches Verhalten nach- gewiesen werden, owohl das zugrunde liegende Kobaltferrit-Ferrofluid superparamagnetisch ist. Anschließend wird untersucht, inwieweit sich FGSEPS und FGP123 mittels eines magnetischen Gradientenfeldes beeinflussen lassen. Zu die- sem Zwecke wird die zeitliche Veränderung der ortsabhängigen Parti- kelkonzentration mit Hilfe eines speziellen Röntgenverfahrens aufgelöst. Um den Einfluss des Gelators auf magnetophoretische Effekte beurtei- len zu können, wird zunächst reines Ferrofluid vermessen. Dabei lässt sich eine Separation der Nanopartikel beobachten. Bei dem thermore- versiblen System FGSEPS zeigt sich, dass trotz einer starken Erhöhung der Viskosität aufgrund des Gelators eine Separation möglich ist. Auch eine teilweise Relaxation des Systems durch reine Diffusion – ohne Ein- fluss eines magnetischen Feldgradienten – lässt sich beobachten. Diese Beobachtungen stehen im Widerspruch zu theoretischen Überlegungen, die Längen- und Zeitskala der Prozesse betreffend. Im Gegensatz zu Ferrofluid und FGSEPS werden bei dem Ferrogel FGP123 keinerlei magnetophoretische Effekte beobachtet. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Frage, inwieweit die Bil- dung der Normalfeld-Instabilität durch eine Vernetzung auf der Ober- fläche, beziehungsweise des gesamten Systems, beeinflussbar ist. Die beiden untersuchten Systeme sind einerseits eine Kombination des Fer- rofluids mit einem UV-Vernetzer und andererseits das thermoreversible System FGSEPS. Bei der Überschichtung lässt sich die effektive Ober- flächenspannung des Ferrofluids erhöhen. Das hat eine Vergrößerung der Wellenlänge des Musters λc sowie eine Erhöhung der zur Erzeu- gung nötigen kritischen Flussdichte Bc zur Folge. Überraschend ist das Anwachsen der Amplitude des Musters bei Überschichtung. Dieser Ef- fekt lässt sich im Rahmen eines einfachen Modells erklären. Mit dem System FGSEPS ist es erstmalig gelungen in einem thermoreversiblen System bei G′ > G′′ eine Normalfeld-Instabilität zu erzeugen. Die Mus- teramplitude und ihre Wachstumsrate werden mit steigender Viskosi- tät des Systems kleiner. Die Wellenlänge λc steigt an und die kritische Flussdichte Bc ist unabhängig von G.

Crystalline-core micelles based on triblock terpolymers with polyethylene middle blocks (2012)

Joachim Schmelz

This thesis is focused on the crystallization-induced structure formation of polyethylene containing triblock terpolymers in organic solvents to surface-compartmentalized worm-like crystalline-core micelles (wCCMs). Obtaining profound knowledge of the parameters controlling the self-assembly process allowed the production of a variety of complex one-dimensional micellar architectures with many potential applications, such as adaptive surfactants. At first, the basic parameters that control the crystallization-induced self-assembly were explored using symmetric polystyrene-block-polyethylene-block-poly(methyl methacrylate) (PS-b-PE-b-PMMA) triblock terpolymers and a PS-b-PE-b-PS triblock copolymer. In good solvents for the PE block, e.g. THF and toluene, the selective formation of wCCMs was observed over a wide range of concentration, applied crystallization temperature and polymer composition. Whereas wCCMs produced by PS-b-PE-b-PS showed a homogeneous PS corona, a patch-like compartmentalization of the corona was observed if the micelles were formed by PS-b-PE-b-PMMA. As THF shows equal solvent quality for both corona blocks, wCCMs with almost alternating PS and PMMA compartments of about 15 nm were observed in this solvent. However, if structure formation was conducted in bad solvents for PE, such as dioxane or dimethylacetamide, spherical micelles with amorphous PE cores were formed already before crystallization. Hence, the subsequent crystallization of PE resulted in spherical CCMs with a patchy or a homogeneous corona depending on the used triblock. These findings allow the highly selective production of stable spherical or worm-like CCMs from the same polymer. As the corona structure of the patchy micelles self-assembled from triblock terpolymers was mainly deduced from transmission electron microscopy (TEM) performed on dried samples, a small-angle neutron scattering (SANS) study was performed in order to elucidate the morphology in solution. Therefore a partly deuterated triblock terpolymer was synthesized and measured at different contrasts to allow the selective detection of the different corona compartments. The resulting SANS curves could be interpreted using a form factor model for core-shell cylinders with alternating PS and PMMA hemishells including interparticle interactions, thus validating the TEM observations. Notably, Janus-type and patchy cylinders can be clearly distinguished using the applied form factor model. Moreover, the controlled formation of wCCMs with tunable corona composition and structure was achieved using the cocrystallization of different triblock copolymers. Via random cocrystallization of PS-b-PE-b-PMMA and PS-b-PE-b-PS the corona morphology could be tuned continuously from a mixed corona at low PMMA content over spherical PMMA patches of increasing number and size to alternating PS and PMMA patches. This approach allows to manufacture wCCMs with predefined corona structure omitting the need to synthesize a new tailor-made triblock terpolymer for every desired morphology. By establishing the controlled crystallization-driven self-assembly of triblock terpolymers with PE middle blocks, it was further possible to prepare wCCMs with predefined average lengths up to 500 nm and length polydispersities as low as Lw/Ln = 1.1. Here, self-assembled spherical CCMs of PS-b-PE-b-PS were used as seeds for the controlled growth of PS-b-PE-b-PS unimers. Upon further addition of PS-b-PE-b-PMMA unimers these grew epitaxially onto the preexisting wCCMs, resulting in triblock co-micelles that consisted of middle blocks with a homogeneous PS corona and outer blocks with alternating PS/PMMA compartments. These structures represent not only the first block co-micelles including blocks with a patchy corona, but also the first ones produced from purely organic block copolymers. In view of application, the ability of patchy wCCMs formed by PS-b-PE-b-PMMA to stabilize interfaces was investigated using pendant-drop tensiometry. The observed reduction of the interfacial tension at the toluene/water interface was significantly higher than that of comparable triblock terpolymer single chains and that of wCCMs with a homogeneous PS corona. Interestingly, the obtained equilibrium interfacial tension equaled that of Janus cylinders with similar dimensions. To explain this unexpected finding the corona chains were proposed to adapt to the interface via selective collapse and shielding of the incompatible part of the corona chains. Studying wCCMs formed by several triblock terpolymers with different compositions, the interfacial activity was found to increase with increasing overall length of the corona chains, and to a certain extent with the molar fraction of PS units in the corona.

5 Naturwissenschaften und Mathematik

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