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In der heutigen Arbeitswelt stehen Organisationen vor der Herausforderung, sich kontinuierlich an Veränderungen anzupassen. Der demographische Wandel und steigende Zahlen von Arbeitsausfällen durch psychische Belastungen rücken das Wohlergehen und die Zufriedenheit von Mitarbeitenden am Arbeitsplatz in den Fokus. Die Mitarbeiterbefragung als Instrument der Organisationsentwicklung ist eine Möglichkeit Veränderungsprozesse so zu gestalten, dass betriebswirtschaftliche und gleichzeitig humanistische Ziele erreicht werden können. Bei der Umsetzung von Mitarbeiterbefragungen kommt es vor allem auf deren Folgeprozesse an, da hier aus den Ergebnissen einer Befragung Schlussfolgerungen gezogen und diese in Aktionen überführt werden. Der Blick in die Praxis zeigt jedoch, dass Erwartungen an Folgeprozesse und somit Mitarbeiterbefragungen, sowohl auf Seite von Unternehmen, als auch auf Seite von Mitarbeitenden, oft enttäuscht werden.
Die bisherige Forschung zeigt zwar allgemein den positiven Effekt von Mitarbeiterbefragungen und Folgeprozessen auf, jedoch bleibt unklar, wie einzelne Bestandteile eines Folgeprozesses und vor allem deren qualitative Durchführung wirken. Hierin liegt der erste Ansatzpunkt der vorliegenden Arbeit. Darüber hinaus soll die Rolle von Führungskräften in Folgeprozessen beleuchtet werden. Denn aus den vielen Überlegungen und Untersuchungen dazu, welche Aspekte Change-Prozesse beeinflussen, sticht oft die besondere Rolle von Führungskräften hervor. Dabei wird von den Führungskräften Verhalten gefordert, welches über ein klassisch rational-funktionales Verständnis von Führung hinausgeht und Mitarbeitende dazu anregt, sich offen und engagiert in Veränderungsprozessen zu verhalten. Einen Ansatz dies zu erreichen, stellt Positive Leadership dar. Hierbei werden Führungsverhaltensweisen an den Tag gelegt, die die Sinnhaftigkeit der Arbeit betonen, positive Beziehungen zu Mitarbeitenden fördern, Anerkennung und Wertschätzung zeigen, Stärkenorientierung praktizieren, für positives Arbeitsklima sorgen, positive Kommunikation beinhalten, die Mitarbeitenden in ihrer Entwicklung unterstützen und insbesondere Partizipation und Befähigung ermöglichen. Auch wenn sich das Konzept Positive Leadership immer größerer Beliebtheit erfreut, existiert noch keine klare Konzeption des Konstrukts und noch kein etabliertes Messinstrument. Darüber hinaus findet sich noch keine Anwendung des Konzepts im Kontext von Change-Prozessen allgemein und von Folgeprozessen von Mitarbeiterbefragungen im Speziellen.
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, Positive Leadership im Kontext von Folgeprozessen einer Mitarbeiterbefragung zu untersuchen. Dazu wurden vier Studien durchgeführt. In Studie 1 wurde durch teilstrukturierte Experten-Interviews (N = 22) exploriert, welche Schritte ein Folgeprozess einer Mitarbeiterbefragung beinhaltet und woran sich eine hohe Qualität in der Durchführung dieser Schritte festmachen lässt. In Studie 2 wurde in drei Teiluntersuchungen (N1 = 194, N2 = 201, N3 = 124) ein Messinstrument für Positive Leadership entwickelt und validiert.
In Studie 3 wurden in einer Fragebogenstudie an einer Stichprobe von Mitarbeitenden (N = 1302) und Führungskräften (N = 266) der Stellenwert einzelner Schritte des Folgeprozesses und der Qualität in der Durchführung aufgezeigt. Des Weiteren wurde der Einfluss von Positive Leadership auf die Qualität des Folgeprozesses und auch Arbeitsengagement und Arbeitszufriedenheit belegt. Dies galt sowohl für Mitarbeitende als auch für Führungskräfte selbst. Sowohl die Einhaltung und Qualität des Folgeprozesses als auch Positive Leadership wirkten sich zudem (zum Teil indirekt über die Zufriedenheit mit dem Folgeprozess vermittelt) auf die Veränderung in Arbeitsengagement und Arbeitszufriedenheit zwischen zwei Mitarbeiterbefragungen aus. Außerdem konnten an einer Stichprobe von 242 Dyaden aus Führungskraft und Mitarbeitendem die Auswirkungen von Diskrepanz und Kongruenz der Einschätzungen zu Positive Leadership oder dem Folgeprozess aufgezeigt werden. Zuletzt wurde untersucht, inwiefern die Attribution von Erfolgen und Misserfolgen im Folgeprozess durch Positive Leadership beeinflusst wird.
Studie 4 bestätigte in einem experimentellen Design (N = 420) unter Anwendung von Video-Vignetten die positiven Effekte einer hohen Qualität des Folgeprozesses und von Positive Leadership auf das Arbeitsengagement und die Arbeitszufriedenheit. Darüber hinaus konnten die vorigen Erkenntnisse um Aussagen über Interaktionen der untersuchten Faktoren erweitert werden. So zeigte sich, dass positives Führungsverhalten die Effekte mangelhafter Qualität im Folgeprozess oder geringer Einhaltung der Schritte des Folgeprozesses abfedern kann. Eine hohe Einhaltung der Schritte im Folgeprozess wirkte sich zudem nur positiv auf die Zufriedenheit mit dem Folgeprozess aus, wenn die Qualität der durchgeführten Schritte hoch war. Außerdem wurde in Studie 4 der Effekt von angenommenen Unterschieden in der Zufriedenheit mit dem Folgeprozess zwischen Mitarbeitenden und Führungskräften auf die Teilnahmeintention an einer nächsten Mitarbeiterbefragung, sowie der Arbeitszufriedenheit und dem Arbeitsengagement aufgezeigt. Abschließend wurden erneut die Auswirkungen von Positive Leadership auf die Attribution von Erfolgen und Misserfolgen im Folgeprozess analysiert. Zusätzlich wurden auch weiterführende Effekte der Attribution auf die Teilnahmeintention an nächsten Mitarbeiterbefragungen untersucht.
Die vorgestellten Studien der Dissertation werden theoretisch und methodisch diskutiert. Auf Basis der Ergebnisse werden praktische Empfehlungen zum verbesserten Umgang mit Folgeprozessen von Mitarbeiterbefragungen und Positive Leadership abgeleitet.
Mit der vorliegenden Dissertation wurde ein Werkzeug für die Erstellung volldigitaler binnendifferenzierter Arbeitsblätter im Regelunterricht Chemie evaluiert und weiterentwickelt, das ein motivations- und interessensförderndes Potential aufweist. Es konnten Zusammenhänge zur Benutzbarkeit der Anwendung und zum Cognitive Load hergestellt werden. Die Ergebnisse stützen damit die Erkenntnisse im Bereich des Lernens mit digitalen Medien. Die Integration von digitalen Werkzeugen in den Lernprozess ist berechtigt. Sie zeigen einerseits für Schüler:innen ein motivationsförderndes Potential und andererseits für Lehrende praktische Vorteile, indem auf vielfältige Weise Informationen dargeboten werden können – zum Beispiel im Bereich der Differenzierung. Mit HyperDocSystems können binnendifferenzierte digitale Arbeitsblätter erstellt und bearbeitet werden. Diese so genannten HyperDocs können von Lehrenden mit Lernhilfen in verschiedenen Darstellungsformen angereichert und von Lernenden volldigital im Browser mit einem Stylus oder der Tastatur bearbeitet werden.
Im Rahmen einer quasi-experimentellen Feldstudie wurde der Einsatz dieser neuartigen HyperDocs erstmals unter Betrachtung der intrinsischen Motivation und des Interesses, der Usability sowie der Nutzung des multimedialen Differenzierungsangebots analysiert. Die Studie fand über vier Schulstunden im Regelunterricht Chemie der Mittelstufe (Gymnasium / Gesamtschule) und Oberstufe (Gymnasium) statt. Dabei wurden auch der Cognitive Load und die tabletbezogenen Kompetenzen der Lernenden berücksichtigt. Die Ergebnisse lassen auf ein motivationsförderndes Potential der HyperDocs gegenüber analogen Arbeitsblättern schließen. Dabei zeigen sich Unterschiede zwischen den Geschlechtern, die zum Teil auf den Cognitive Load zurückzuführen sind und abhängig vom Alter der Lernenden (Mittel- und Oberstufe) auftreten. Die Lernhilfen werden in diesem Zusammenhang häufig aus Interesse und Neugier verwendet. Schüler:innen nutzen insbesondere Lernhilfen in Form von Text und Bild. Die Nutzungshäufigkeit des Differenzierungsangebots gibt jedoch nicht unmittelbar Aufschlüsse über die Motivation oder den Cognitive Load der Lernenden. Bei der Usability handelt es sich um ein wichtiges Kriterium beim Einsatz von digitalen Lernprogrammen, da sich unter anderem ein Zusammenhang zu den Variablen der intrinsischen Motivation und zum Cognitive Load beim Lernen mit HyperDocs herstellen lässt. Die Usability ist dabei jedoch abhängig vom Messzeitpunkt. HyperDocs weisen eine hohe Usability auf und können daher uneingeschränkt in der Mittel- und Oberstufe eingesetzt werden.
Esse aut non esse - Affirmation und Subversion intergeschlechtlicher Existenzen in der Schule
(2024)
Am 10.10.17 beschloss das Bundesverfassungsgericht in Karlsruhe, ein sog. drittes Geschlecht für den Eintrag im Geburtenregister einzuführen. Intersexuellen Menschen sollte damit ermöglicht werden, ihre geschlechtliche Identität eintragen zu lassen und damit Teilhabe am gesellschaftlichen Leben zu ermöglichen. Zur Begründung verwies das Gericht auf das im Grundgesetz geschützte Persönlichkeitsrecht. Die aktuell geltende Regelung sei mit den grundgesetzlichen Anforderungen insoweit nicht vereinbar, als dass es neben „weiblich" oder „männlich" keine dritte Möglichkeit bietet, ein Geschlecht eintragen zu lassen. Der Gesetzgeber musste nun bis Ende 2018 eine Neuregelung schaffen, in der sie eine Bezeichnung für ein drittes Geschlecht aufnimmt – „divers“.
Schulen als bedeutende soziale Einrichtungen sind nun gefordert, will man die Leitperspektiven der Diversität im Bildungsbereich und damit in der Gesellschaft beibehalten. Schulen stellen Arbeitsfeld, Lebenswelt und Lernumfeld für viele Generationen dar und besitzen damit immer eine gesellschaftliche Vorbildfunktion, wobei Diversität zum stets allgegenwärtigen Imperativ geworden ist. Als Avantgarde müssen Schulen deshalb gerade in gesellschaftlichen Fragen voranschreiten und gleichsam Verantwortung für die Entwicklungen und Lösung wichtiger ethischer Fragen übernehmen ohne dabei die Vermittlung traditioneller Werte und Normen als eine ihrer zentralen Funktionen aufzugeben. Diesen anspruchsvollen Spagat zu vollziehen bleibt konstante Herausforderung der Schulentwicklung.
Mit Vielfalt umgehen bedeutet im schulischen Kontext vor allem neben gegenseitiger Anerkennung und Respekt auch, dass das Zusammenleben der Menschen durch die Eröffnung alternativer Wahrnehmungs-, Denk- und Handlungsansätze bereichert wird. Der Beschluss des Bundesverfassungsgerichts ist folglich in besonderer Weise an Schulen gerichtet.
Doch wie kann dieser Weg erfolgreich und nachhaltig eingeschlagen werden?
Bei Betrachtung der zahlreichen Publikationen zum Thema Gender und Schule sowie der wenigen Entwicklungen in den letzten Jahren wird augenscheinlich, dass das deutsche Schulsystem für die Umsetzung der Entscheidung des Bundesverfassungsgerichts vom 10.10.2017 (1BvR 2019/16) systemisch und strukturell nicht vorbereitet ist.
Daraus lassen sich die Forschungsfragen dieser Promotionsarbeit formulieren:
- Wie verhält sich Schule zum Diskurs des dritten Geschlechts?
- Was sind aus Sicht schulischer Akteure Gelingensbedingungen für eine erfolgreiche Sichtbarmachung des dritten Geschlechts an Schulen?
Es soll in der Arbeit mittels empirischer Untersuchungen eingehend verdeutlicht werden, welche Gelingens- bzw. Misslingensfaktoren bei der Implementierung eines dritten Geschlechts eine Rolle spielen und unter welchen Voraussetzungen überhaupt Schule als Organisation auf die Sichtbarmachung intergeschlechtlicher Kinder und Jugendliche vorbereit ist.
In dieser Arbeit wurde wurde das CASOCI-Programm[1], dessen Implementierung bereits Thema der Dissertation von Dr. Tilmann Bodenstein war und Gegenstand kontinuierlicher Weiterentwicklung in den Arbeitsgruppen Fink (Karlsruher Institut für Technologie) und van Wüllen ist, MPI/OpenMP Hybrid parallelisiert. Dieses wurde im Anschluss daran verwendet, um den fünfkernigen [Ni(tmphen)2]3[Os(CN)6]2- Komplex (tmphen = 3,4,7,8-Tetramethyl-1,10-Phenanthrolin) auf dessen magnetische Eigenschaften hin zu untersuchen. Dieser wurde in der Gruppe von Kim R. Dunbar durch χT-Messungen experimentell untersucht[2,3]. Durch diamagnetische Substitution wurden von diesem Komplex Varianten mir nur ein und zwei aktiven Zentren erzeugt. An diesen wurden CASOCI-Rechnungen durchgeführt und g-Tensoren, Austauschkopplungen, D-Tensoren sowie Tensoren für den anisotropen Austausch bestimmt. Mit Hilfe dieser Tensoren konnte eine χT-Kurve berechnet werden, die eine gute Übereinstimmung mit der aus Dunbars Arbeiten zeigt aufweist. Es konnte gezeigt werden, dass der anisotrope Austausch maßgeblich für den Kurvenverlauf ist und die Einzel-Ionen Nullfeldaufspaltung praktisch keine Rolle spielt.
[1] T. Bodenstein, A. Heimermann, K. Fink, C. van Wüllen, Chem. Phys. Chem. 2022, 23, e202100648.
[2] M. G. Hilfiger, M. Shatruk, A. Prosvirin, K. R. Dunbar, Chem. Commun. 2008, 5752–5754.
[3]A.V.Palii,O.S.Reu,S.M.Ostrovsky,S.I.Klokishner,B.S.Tsukerblat,M.Hilfiger, M. Shatruk, A. Prosvirin, K. R. Dunbar, J. Phys. Chem. A 2009, 113, 6886–6890.
Weak memory consistency models capture the outcomes of concurrent
programs that appear in practice and yet cannot be explained by thread
interleavings. Such outcomes pose two major challenges to formal
methods. First, establishing that a memory model satisfies its
intended properties (e.g., supports a certain compilation scheme) is
extremely error-prone: most proposed language models were initially
broken and required multiple iterations to achieve soundness. Second,
weak memory models make verification of concurrent programs much
harder, as a result of which there are no scalable verification
techniques beyond a few that target very simple models.
This thesis presents solutions to both of these problems.
First, it shows that the relevant metatheory of weak memory
models can be effectively decided (sparing years of manual proof
efforts), and presents Kater, a tool that can answer metatheoretic
queries in a matter of seconds. Second, it presents GenMC, the first
(and only) scalable stateless model checker that is parametric in the
choice of the memory model, often improving the prior state of the art
by orders of magnitude.
Cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) ermöglichen die Herstellung kundenindividueller Produkte in kleinen Losgrößen durch Nutzung aktueller Entwicklungen der Informations- und Kommunikationstechnologien. Im Materialfluss in CPPS ist jedoch aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften der Fördergüter und dynamischer Prozesszuweisungen die Gefahr physikalisch bedingter Störungen erhöht. Diese Arbeit untersucht die Nutzung von Physiksimulation als Basis eines Digitalen Zwillings von Fördermitteln, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Das Ziel besteht darin, durch die Simulation der physikalischen Phänomene einzelner Materialflussprozesse die negativen Einflüsse von Störungen zu verringern und somit die Leistungsfähigkeit des Produktionssystems zu erhöhen. Hierzu findet zunächst eine konzeptionelle Entwicklung des Digitalen Zwillings statt, die eine Analyse der beteiligten Systeme, eine Anforderungsdefinition, eine Festlegung von Aufbau- und Ablaufstruktur, sowie eine Formalisierung der einzelnen Funktionsbestandteile umfasst. Im Anschluss wird der Digitale Zwilling softwaretechnisch implementiert, mit einem exemplarischen Fördermittel vernetzt und prototypisch in Betrieb genommen. Die Ergebnisse zeigen die Eignung der Physiksimulation für den beschriebenen Zweck und die Wirksamkeit des Einsatzes auf Produktionssystemebene, indem Materialflussprozesse beschleunigt durchgeführt, überwacht und im Falle von Störungen nachträglich simulativ untersucht werden können.
This thesis outlines the development of thermoplastic-graphite based plate heat exchangers from material screening to operation including performance evaluation and fouling investi-gations. Polypropylene and polyphenylene sulfide as matrix and graphite as filler were cho-sen as feedstock materials, as they possess a low density and excellent corrosion resistance at a comparatively low price.
For the purpose of material screening, custom-made polymer composite plates with a plate thickness of 1-2 mm and a filler content of up to 80 wt.% were investigated for their thermal and mechanical suitability with regard to their use in plate heat exchangers. Three-point flexural tests show that the loading of polypropylene with graphite leads to mechanical prop-erties that allow the composites to be applied as corrugated heat exchanger plates. The simu-lated maximum overpressure is greater than 7 bar, depending on the wall thickness. The thermal conductivity of the composites was increased by a factor of 12.5 compared to pure polypropylene, resulting in thermal conductivities of up to 2.74 W/mK.
The fabrication of the developed corrugated heat exchanger plates, with a thickness between 0.85 mm and 2.5 mm and a heat transfer surface area of 11.13·10-3 m² was carried out via processes that can be automized, namely extrusion and embossing. With the manufactured plate heat exchanger, overall heat transfer coefficients are determined over a wide range of operating conditions (Re = 200 - 1600), which are used to validate a plate heat exchanger model and consequently to compare the composites with conventional materials. The em-bossing, which seems to result in a shift of the internal graphite structure, leads to a further improvement of the thermal conductivity by 7-20 %, in addition to the impact of the filler. With low plate thicknesses, overall heat transfer coefficients of up to 1850 W/m²K could be obtained. Considering the low density of the manufactured thermal plates, this ensures com-parable performance with metallic materials over a wide range of process conditions (Re = 200 - 4000).
The fouling kinetics and amount of calcium sulfate and calcium carbonate, respectively, on different polypropylene/graphite composites in a flat plate heat exchanger and the developed chevron type plate heat exchanger are determined and compared to the reference material stainless steel. For a straight evaluation of the fouling susceptibility of the materials the for-mation of bubbles on the materials is considered by optical imaging or excluded by a degas-ser. The results are interpreted using surface free energy and roughness of the surfaces. The results show that if bubble formation is avoided, the polymer composites have a very low fouling tendency compared to stainless steel, which is attributed to the low surface free ener-gies of approximately 25 mN/m. This is particularly the case when turbulent flows are pre-sent, as is in plate heat exchangers or when sandblasted specimen are used. Sandblasting also continues to increase heat transfer compared to untreated samples by increasing thermal conductivity and creating local turbulences. Depending on the test conditions, the fouling resistance formed on the stainless steel surface is an order of magnitude greater than on the flat plate polymer composites. In addition, the fouling layers adhere only weakly to the com-posites, which indicates an easy cleaning in place after the formation of deposits. The fouling investigations in the plate heat exchanger reveal sensitivity to calcium sulfate fouling, how-ever, CFD simulations indicate that this is due to flow maldistribution and not the actual pol-ymer composite materials.
Zeolithe werden seit Jahrzehnten als Katalysatoren in der chemischen Industrie und als Ionentauscher in Waschmitteln eingesetzt. Außerdem können Zeolithe als Trägermaterialien für Metalle, die durch Ionenaustausch oder Imprägnierung aufgebracht werden, eingesetzt werden. Ein neuartiges Anwendungsgebiet von Zeolithen ist die Verwendung als antimikrobielles Füllmaterial in Kunststoffen. Hierzu müssen die Zeolithe zuvor mit einem antimikrobiell wirkenden Metall wie z.B. Silber beladen werden. Dieser gefüllte Kunststoff kann zu Filamenten für den 3D-Druck weiterverarbeitet werden. Ein mögliches Anwendungsgebiet für die resultierenden Verbundmaterialien liegt im Bereich der Zahnmedizin in Form von Kronen oder dreigliedrigen Brücken. Ziel dieses Promotionsprojekts war die Modifikation der Zeolithe Beta und ZSM‑5 mit Silber, um die resultierenden Materialien als antimikrobielle Komponenten in einem Polymerverbundwerkstoff einzusetzen. Die beiden Zeolithe sollen mittels Ionenaustausch mit Silberionen beladen werden. Neben der Reaktionstemperatur und dem Gegenion im Zeolithgitter wurde auch die experimentelle Vorgehensweise des Ionenaustauschs (Dauer und Anzahl der Austauschzyklen) variiert, um eine möglichst hohe Beladung mit Silber zu erzielen. Durch die Kombination verschiedener Charakterisierungsmethoden wie Röntgenpulverdiffraktometrie (PXRD) und Festkörper-NMR-Spektrometrie (MAS-NMR) konnte der Erhalt der Zeolithstruktur nach dem Ionenaustausch bestätigt werden. Mittels Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) wurde die Silbermenge im Zeolithgitter bestimmt. Da Zeolith ZSM-5 im Einkauf kostengünstiger ist als Zeolith Beta, wurde in den weiteren Schritten mit Silberionen ausgetauschtem Zeolith AgZSM-5 weitergearbeitet. Im nächsten Schritt wurde Zeolith AgZSM‑5 mit verschiedenen Verfahren modifiziert, um eine zeitlich steuerbare Freisetzung der Silberionen aus dem Zeolithgitter zu gewährleisten. Bei der Oberflächenpassivierung mittels Silylierung konnte mittels temperaturprogrammierter Desorption von Ammoniak (NH3-TPD) eine Abschwächung der Säurezentren nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde Zeolith AgZSM-5 noch mittels Imprägnierung mit Calcium bzw. Magnesium sowie durch Reduktion des Silbers im H2-Strom bei unterschiedlichen Temperaturen modifiziert. Bei der Reduktion des Silbers im H2-Strom konnte der Einfluss der Reduktionstemperatur auf die Kristallitgröße des Silbers gezeigt werden.
In 2022 verfehlten Gebäude- und Verkehrssektor die Klimaschutzziele in Deutschland. Im Gegensatz zum Verkehrssektor stehen im Gebäudesektor lange Lebensdauern schnellen Technologiewechseln entgegen, weshalb Strategien besonders frühzeitig umgesetzt werden müssen. Zudem ist der Gebäudebestand durch hohe Investitionskosten bei vergleichsweise geringen Treibhausgaseinsparungen je investiertem Euro geprägt. In Kombination erschweren diese Hemmnisse die Erreichung der Klimaschutzziele für den Wohngebäudebestand deutlich.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Wohngebäudebestandsmodells, um Transformationspfade unter dem Einfluss variierender ökonomischer Rahmenbedingungen, wie z.B. dem Einfluss unterschiedlicher CO2-Preisverläufe und eine Reinvestition der CO2-Steuer in die Modernisierung der Gebäude, simulieren und analysieren zu können.
Im ersten Schritt wird ein Wohngebäudebestandsmodell bei Fortschreibung der ökonomischen Rahmenbedingungen im Startjahr entwickelt und angewendet. Hierzu werden wichtige Parameter des Gebäudebestands identifiziert und diese anhand des vergangenen Verlaufs analysiert sowie Szenarien und Prognosen betrachtet. Ergebnis sind Ausgangsbedingungen und Einflussfaktoren auf den weiteren Verlauf, die für die Modellierung genutzt werden. Im zweiten Schritt wird eine Systematik entwickelt, um Modernisierungsraten endogen bei Variation der ökonomischen Rahmenbedingungen berechnen zu können.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell vorgestellt, dass die ökonomischen Rahmenbedingungen und das Kopplungsprinzip dynamisch bei der Simulation von Vollmodernisierungsraten berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass Vollmodernisierungsraten von 2 %/a über längere Zeiträume extreme Rahmenbedingungen benötigen und unrealistisch sind. Haupthemmnisse sind der Sanierungsbedarf (Kopplungsprinzip), sinkende Energieeinsparpotenziale der jüngeren Baualtersklassen und Mitnahmeeffekte bei verbesserter Förderung. Da eine Erreichung der Klimaschutzziele nur durch Anpassung der CO2-Steuer (auch bei Reinvestition) nicht innerhalb realistischer Steuerhöhen im Modell möglich ist, wird stattdessen ein Maßnahmenpaket aus wirtschaftlichen und legislativen Rahmenbedingungen zur Zielerreichung vorgestellt.
Diese Dissertation erläutert die Umsetzung eines RAMI 4.0 konformen Marktplatz in der spanenden Bearbeitung. Ziel ist es einen Lösungsansatz zu definieren, in dem firmenübergreifende Prozessketten für kleine Losgrößen automatisiert identifiziert werden und die Fertigung eines individuellen Produktes realisiert wird. Die Extraktion von Produktinformationen, die Fertigung eines individualisierten Produktes sowie die Beschreibung der Informationen in den Verwaltungsschalen wird validiert. Vor allem stellt sich als Herausforderung für die Zukunft heraus, eine gemeinsame Semantik für die Beschreibung von Capabilities zu definieren. Diese würde ermöglichen, dass ein Matching zwischen proprietären Produktinformationen und Skills möglich wird.
Auf Grundlage normativer Regelungen, aktueller Forschungsvorhaben und deren Erkenntnisse (Kuhlmann u. a. 2008 und 2012) wurden experimentelle sowie numerische Untersuchungen an großen Ankerplatten mit mehr als der aktuell normativ zugelassenen Anzahl an Kopfbolzen durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war es, einen Ansatz für die Tragfähigkeit großer nachgiebiger Ankerplatten mit Kopfbolzen zu entwickeln. Durch Variationen der maßgebenden Parameter wie der Ankerplattendicke, der Kopfbolzenlänge, des Grads der Rückhängebewehrung sowie des Zustands des Betons konnte anhand der experimentellen Untersuchungen ein Komponentenmodell verifiziert werden. Mögliche Versagensmechanismen, wie Stahlversagen der Kopfbolzen auf Zug, Fließen der Ankerplatte infolge der T-Stummelbildung, kegelförmiger Betonausbruch sowie Stahlversagen der Rückhängebewehrung, konnten mithilfe dieser Parameter abgebildet werden. Weiter hat sich beim Versagensmodus ‚kegelförmiger Betonausbruch‘ die Oberflächenbewehrung im Nachtraglastbereich als zusätzlicher Parameter herausgestellt.
Das auf Grundlage der DIN EN 1993-1-8 entwickelte Modell und die Berücksichtigung der Komponentensteifigkeiten ermöglichen die Bemessung starrer und nachgiebiger Ankerplatten. Durch den Einbezug der Steifigkeiten einzelner Komponenten kann die Gesamtsteifigkeit einer Anschlusskonfiguration berechnet werden, um ein duktiles Tragverhalten zu erhalten. Neben verschiedenen möglichen Fließzonen auf der Ankerplatte infolge unterschiedlicher Geometrien und Anordnungen der Verbindungsmittel werden kegelförmige Betonausbrüche in Abhängigkeit einer möglichen zusätzlichen Rückhängebewehrung im Modell berücksichtigt.
Das in dieser Arbeit beschriebene Modell für die sich bildende Zugseite starrer sowie nachgiebiger Ankerplatten mit mehr als aktuell nach Norm zulässigen Ver-bindungsmitteln konnte anhand experimenteller und numerischer Versuche verifiziert werden. Der plastische Bemessungsansatz zeigt, über alle Versuchsserien hinweg, eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Untersuchungen sowie den numerischen Parameterstudien.
In einem zweiten Schritt wurden Auswirkungen einer Kurzzeitrelaxation des Betons infolge Zwang auf große Ankerplatten in Verbindung mit Kopfbolzen untersucht. Mit dem in Anlehnung an die Komponentenmethode der DIN EN 1993-1-8 entwickelten Federmodell können zeitabhängige Verformungen von Beton infolge von Kriechen und Schwinden berücksichtigt werden. Mithilfe des anhand experimenteller und numerischer Versuche verifizierten Modells ist es möglich, Auswirkungen infolge Zwang auf Ankerplatten zu untersuchen.
Plant-specific factors affecting short-range attraction and oviposition of European grapevine moths
(2024)
The spread of pests and pathogens is increasingly intensified by climate change and globalization. Two of the most serious insect pests threating European viticulture are the European grape berry moth, Eupoecilia ambiguella (Hübner) and the European grapevine moth Lobesia botrana (Denis & Schiffermüller). Larvae feed on fructiferous organs of grapevine Vitis vinifera, resulting in high yield and quality losses. Under the aspects of integrated pest management, insecticide measures are only reasonable when other control strategies become ineffective. In order to support the development of novel decision support system for the application of insecticides, the aim of this thesis was to decipher plant-specific factors, which affect the short-range attraction and oviposition of L. botrana and E. ambiguella.
The focus was set on the visual, volatile, tactile and gustatory stimuli provided by their host plant after settlement. The use of artificial surfaces as model plant showed that oviposition of both species is affected by the color, the shape and the texture of the oviposition site. To explain a susceptibility of certain grapevine cultivars and phenological stages of the berries to egg infestations, we analysed and compared the chemical composition of the epicuticular waxes of the berry surface as well as the volatile organic compounds emitted by the berries. Thereby it turned out that the attractiveness to wax extracts decreased during ripening of the berries, highlighting a preference of earlier phenological stages of the berries for oviposition. In addition, grapevine cultivars exhibited variations in their volatile composition. The principle components perceived by female’s antennae could not explain the differentiation between cultivars, suggesting volatiles do not trigger orientation to certain cultivars. Furthermore, a method was developed to measure real-time behavioural response of female moths to volatiles. The setup allowed to quantify the orientation to a volatile source as well as movements of the antennae and ovipositor. They could be linked to the olfactory and gustatory perception of volatiles during the evaluation of suitable host plants for oviposition. In addition, the risk of potential alternative host plants in the vicinity of the vineyard was investigated. This confirmed that L. botrana in particular prefers the stimuli provided by some plants to those of grapevine. Overall, the results suggest that during oviposition, volatiles emitted by the plants and the composition of the plant surface are the most important factors for host plant differentiation.
VR ist ein stetig wachsendes Forschungsgebiet, das die Perspektiven und Möglichkeiten der Mensch-Computer-Interaktion erweitert (Hassan & Hossain, 2022). Durch Studien konnte bereits vor dem aktiven Einsatz im Schulalltag eine Vielzahl an positiven Auswirkungen auf den Lernprozess durch die Nutzung von VR nachgewiesen werden (Chavez & Bayona, 2018). Das sogenannte Immersive Learning stellt damit einen Schlüsselbereich zur digitalen Transformation im Bildungsbereich dar. Um VR allerdings im Schulunterricht einsetzen zu können, bedarf es Lernumgebungen, die auf die örtlichen Gegebenheiten und alltäglichen Bedürfnisse eines praktischen Schulunterrichts angepasst sind. Solche Gestaltungsprinzipien sind allerdings im Bildungsbereich noch nicht vorhanden (Johnson-Glenberg, 2018). Diese Arbeit beschäftigt sich damit, Prinzipien aus der Theorie abzuleiten, diese mit Gestaltungskomponenten zu vereinen und darauf aufbauend eine VR-Lernumgebung zu gestalten und zu erforschen. Um eine Praxis-nähe bei der Entwicklung und Untersuchung zu gewährleisten, wurde ein Design-Based Research Ansatz gewählt. In aufeinander aufbauenden Mikrozyklen wurden die Gestaltungskomponenten evaluiert und daraus Gestaltungsprinzipien abgeleitet. Die Lernmaterialien wurden fächerübergreifend für die Fächer Chemie und Geografie konzipiert sowie praxisnah mit Teilnehmenden aus vier zehnten Klassen eines Gymnasiums in Rheinland-Pfalz evaluiert. Als Lerninhalt wurde der Kohlenstoffkreislauf gewählt und in den jeweiligen Curricula der Fächer verortet. Der Hauptfokus lag auf dem Fach Chemie, Themenfeld elf „Stoffe im Fokus von Um-welt und Klima“. Als virtueller Ort wurde die Nachbildung eines Abschnitts des außerschulischen Lernorts „Reallabor Queichland“ gewählt. Die Komponenten wurden in insgesamt sieben Mikrozyklen aufgeteilt, nummeriert von null bis sechs. Mikrozyklus null wird genutzt, um den Teilnehmenden den Umgang mit dem VR-System näher zu bringen und den Neuigkeitseffekt abzumildern. Mikrozyklus eins evaluiert die Grundfläche der VR-Lernumgebung mit dem Fokus auf den Realismus der Umgebung. Mikrozyklus zwei beschäftigt sich mit dem zu wählenden Bewegungsradius innerhalb der VR. Mikrozyklus drei untersucht den Effekt von realitätsnahen Hintergrundgeräuschen. Die Mikrozyklen vier bis sechs bestehen aus drei Lernstationen mit unterschiedlichen Interaktionsmöglichkeiten: realitätsnahe Interaktionen, realitätsferne Interaktionen sowie eine Mischung daraus. Erhoben wurden die Skalen räumliches Präsenzerleben, aktuelle Motivation, Realismus, wahrgenommene Bedienbarkeit, wahrgenommene Lerneffektivität und die VR-Skala. Ausgewertet wurden die Daten mit ANOVAs und Pfadanalysen sowie einer übergreifenden Analyse am Ende der Erhebung. Durch das Design der Komponenten konnte ein sehr hohes räumliches Präsenzerleben sowie ein sehr hoher wahrgenommener Realismus erzeugt werden. In den Lernstationen bewerteten die Teilnehmenden die wahrgenommene Lerneffektivität sowie Bedienbarkeit als auch den Zusammenhang von 3-D-Model-len, deren Manipulierbarkeit in VR und der damit verbundene Effekt auf die Lerneffektivität als sehr hoch. Insgesamt konnten aus den vorliegenden Daten zwölf Gestaltungsprinzipien generiert werden. Diese können dafür genutzt werden, neue VR-Lernumgebungen für den praktischen Einsatz im Schulunterricht zu erstellen. Es wurden theoretische Annahmen zur Respezifikation des Prozessmodells des räumlichen Präsenzerlebens getroffen und mit den erhobenen Daten geprüft. Die Anpassung des Modells an moderne VR-Brillen und kognitiv fordernde VR-Lernumgebungen stand dabei im Fokus und ergab sehr gute Modelfit-Werte. In weiterführen-den Studien sollten diese Annahmen mit größeren Stichproben überprüft werden.
Production, purification and analysis of novel peptide antibiotics from terrestrial cyanobacteria
(2024)
Cyanobacteria are a known source for bioactive compounds, of which several also show antibiotic activity. In regard to the growing number of multi-resistant pathogens, the search for novel antibiotic substances is of great importance and unexploited sources should be explored. So, this thesis initially dealt with the identification of productive strains, especially within the group of the terrestrial cyanobacteria, which are less well studied than marine and freshwater strains. Amongst these, Chroococcidiopsis cubana, an extremely desiccation and radiation tolerant, unicellular cyanobacterium was found to produce an extracellular antimicrobial metabolite effective against the Gram-positive indicator bacterium Micrococcus luteus as well as the pathogenic yeast Candida auris. However, as the sole identification of a productive cyanobacterium is not sufficient for further analysis and a future production scale-up, the second part of this thesis targeted the identification of compound synthesis prerequisites. As a result, a limitation of nitrogen was shown to be the production trigger, a finding that was used for the establishment of a continuous production system. The increased compound formation was then used for purification and analysis steps. As a second approach, in silico identified bacteriocin gene clusters from C. cubana were cloned and heterologously expressed in Escherichia coli. By this, the bacteriocin B135CC was identified as a strong bacteriolytic agent, active predominantly against the Gram-positive strains Staphylococcus aureus and Mycobacterium phlei. The peptide showed no cytotoxic effects against mouse neuroblastoma (N2a-) cells and a high temperature tolerance up to 60 °C. In order to facilitate the whole project, two standard protocols, specifically adapted for the work with cyanobacteria, were established. First, a method for a quick and easy in vivo vitality estimation of phototrophic cells and second, an approach for a high throughput determination of nitrate concentrations in microalgal cultures. Both methods greatly helped to proceed the main objectives of this work, the first one by simplifying the development of suitable cryopreservation protocols for individual cyanobacteria strains and the second one by accelerating the determination of the optimal nitrate concentration for the production of the antimicrobial compound from C. cubana. In the course of this cultivation optimization, the ability of cyanobacteria to utilize organic carbon sources for an accelerated cell growth was examined in greater detail. It could be shown that C. cubana reaches significantly higher growth rates when mixotrophically cultivated with fructose or glucose. Interestingly, this effect was even further enhanced when light intensity was decreased. Under these low-light conditions, phototrophically cultivated C. cubana cells showed a clearly decreased cell growth. This effect might be extremely useful for a quick and economic preparation of precultures.
The ability to sense and respond to different environmental conditions allows living organisms to adapt quickly to their surroundings. In order to use light as a source of information, plants, fungi, and bacteria employ phytochromes. With their ability to detect far-red and red light, phytochromes constitute a major photoreceptor family. Bacterial phytochromes (BphPs) are composed of an apo-phytochrome and an open-chain tetrapyrrole, the chromophore biliverdin IXα, which mediates the photosensory properties. Depending on the photoexcitation and the quality of the incident light, phytochromes interconvert between two photoconvertible parental states: the red light-absorbing Pr-form and the far-red light-absorbing Pfr-form. In contrast to prototypical phytochromes, with a thermal stable Pr ground state, there is a group of bacterial phytochromes that exhibit dark reversion from the Pr- to the Pfr-form. These special proteins are classified as bathy phytochromes and range across different classes of bacteria. Moreover, the majority of BphPs act as sensor histidine kinases in two-component regulatory systems. The light-triggered conformational change results in the autophosphorylation of the histidine kinase domain and the transphosphorylation of an associated response regulator, inducing a cellular response. Spectroscopic analysis utilizing homologously produced protein identified PaBphP, the histidine kinase of the human opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa, as a bathy phytochrome. Intensive research on PaBphP revealed evidence that the interconversion between its physiological active and inactive states is influenced by light and darkness rather than far-red and red light. In order to conduct a comprehensive systematic analysis, further bacterial phytochromes were investigated regarding their biochemical and spectroscopic behavior, as well as their autokinase activity. In addition to PaBphP, this work employs the bathy phytochromes AtBphP2, AvBphP2, XccBphP from the non-photosynthetic plant pathogens Agrobacterium tumefaciens, Allorhizobium vitis, Xanthomonas campestris, as well as RtBphP2 from the soil bacterium Ramlibacter tataouinensis. All investigated BphPs displayed a bathy-typical behavior by developing a distinct Pr-form under far-red light conditions and undergoing dark reversion to their Pfr-form. Different Pr/Pfr-fractions can be identified among the BphP populations in varying natural light conditions, including red or blue light. The Pr-form is considered as the active form due to autophosphorylation activity in the heterologously produced phytochromes when exposed to light. In the absence of light, associated with the development of the Pfr-form, the phytochromes exhibited disabled or strongly reduced autokinase activity. Additionally, light-triggered phosphorylation was observed for the response regulator PaAlgB, which is linked to the phytochrome of P. aeruginosa. This study presents the first comparative investigation of numerous bathy phytochromes under identical conditions. The work addressed a gap in the literature by providing quantitative correlation between kinase activity and calculated Pr/Pfr-fractions obtained from spectroscopic measurements. The biological role of PaBphP was partially elucidated through phenotypic characterization employing P. aeruginosa mutant and overexpression strains. The generation of a functional model was possible by considering the postulated functions of the other phytochromes found in the literature. In summary, bathy BphPs are hypothesized to modulate bacterial virulence according to the circadian day/night rhythm of their hosts. The pathogens are believed to reduce their virulence during daylight hours to evade immune and defense reactions, while increasing their virulence during the evening and night, enabling more effective infections.
Functional structures as well as materials provided by nature have always been a great source of inspiration for new technologies. Adapting and improving the discovered concepts, however, demands a detailed understanding of their working principles, while employing natural materials for fabrication tasks requires suitable functionalization and modification.
In this thesis, the white scales of the beetle Cyphochilus are examined in order to reveal unknown aspects of their light transport properties. In addition, the monomer of the material they are made of is utilized for 3D microfabrication.
White beetle scales have been fascinating scientists for more than a decade because they display brilliant whiteness despite their small thickness and the low refractive index contrast. Their optical properties arise from highly efficient light scattering within the disordered intra-scale network structure.
To gain a better understanding of the scattering properties, several previous studies have investigated the light transport and its connection to the structural anisotropy with the aid of diffusion theory. While this framework allows to relate the light scattering to macroscopic transport properties, an accurate determination of the effective refractive index of the structure is required. Due to its simplicity, the Maxwell-Garnett mixing rule is frequently used for this task, although its constraint to particle and feature sizes much smaller than the wavelength is clearly violated for the scales.
To provide a correct calculation of the effective refractive index, here, finite-difference time-domain simulations are used to systematically examine the impact of size effects on the effective refractive index. Deploying this simulation approach, the Maxwell-Garnett mixing rule is shown to break down for large particles. In contrast, it is found that a quadratic polynomial function describes the effective refractive index in close approximation, while its coefficients can be obtained from an empirical linear function. As a result, a simple mixing rule is reported that unambiguously surpasses classical mixing rules when composite media containing large feature sizes are considered. This is important not only for the accurate description of white beetle scales, but also for other turbid media, such as biological tissues in opto-biomedical diagnostics.
Describing light transport by means of diffusion theory moreover neglects any coherent effects, such as interference. Hence, their impact on the generation of brilliant whiteness is currently unknown. To shed a light on their role, spatial- and time-resolved light scattering spectromicroscopy is applied to investigate the scales and a model structure of them based on disordered Bragg stacks. For both structures the occurrence of weakly localized photonic modes, i.e., closed scattering loops, is observed, which is further verified in accompanying simulations. As shown in this thesis, leakage from these random photonic modes contributes at least 20% to the overall reflected light. This reveals the importance of coherent effects for a complete description of the underlying light transport properties; an aspect that is entirely missing in the purely diffusive transport presumed so far. Identifying the importance of weak localization for the generation of brilliant whiteness paves the way to further enhance the design of efficient optical scattering media, an issue that recently drawn great attention.
Unlike their plant-based counterparts, rigid carbohydrates, such as chitin, are currently unavailable for 3D microfabrication via direct laser writing, despite their great significance in the animal kingdom for the construction of functional microstructures. To overcome this gap, the monomeric unit of chitin, N-acetyl-D-glucosamine, is here functionalized to serve as a photo-crosslinkable monomer in a non-hydrogel photoresist. Since all previous photoresists based on animal carbohydrates are in the form of hydrogel formulations, a new group of photoresists is established for direct laser writing.
Moreover, it is exhibited that the sensitization effect, previously used only in the context of UV curing, can be successfully transferred to direct laser writing to increase the maximum writing speed. This effect is based on the beneficial combination of two photoinitiators.
In this, one photoinitiator is an efficient crosslinking agent for the monomer used, but a rather poor two-photon absorber. The other photoinitiator (called sensitizer) possesses, conversely, a much higher two-photon absorption coefficient at the applied wavelength but is not well suited as a crosslinking agent. In combination, the energy absorbed by the sensitizer is passed to the photoinitiator, resulting in the formation of radicals needed to start the polymerization. As this greatly increases the rate at which the photoinitiator is radicalized, resists containing a photoinitiator and a sensitizer are shown to outperform resists containing only one of the components. Deploying the sensitization effect in direct laser writing therefore offers a simple way to individually tune the crosslinking ability and the two-photon absorption properties by combining existing compounds, compared to the costly chemical synthesis of novel, customized photoinitiators.
In contrast to motorbike tyres, whose friction during cornering has to be as high as possible, the desired effect in skiing is the opposite, that of low friction. The reduced friction between skis and ice or snow is made possible by a film of meltwater that forms as a function of friction power. To support this friction mechanism, skis are waxed with different waxes in both hobby and professional sports, depending on a variety of conditions. Waxes with fluorine additives show best performance in most conditions, corresponding to the lowest friction coefficients. However, for health and environmental reasons, the International Ski Federation (FIS) and the Biathlon Un-ion (IBU) have imposed a complete ban on fluorine additives at all FIS races and IBU events with effect from the 2023/2024 season. As a result, wax manufacturers are required to develop and extensively test fluorine-free waxes in order to remain competitive.
Traditional tests take place either indoors or outdoors in the field. Athletes, who complete a particular distance and whose time is measured, also note the impres-sions that the prepared skis provide to the skiers. The time and cost involved in nu-merous individual tests is a drawback, and the presence of only a single type of snow in the hall or field, air resistance, changing environmental conditions and var-iations in the athlete's movement, limit the depth of information. For the need of re-ducing the time-consuming procedure of indoor and outdoor tests, a tribometer of-fers a solution where friction measurements can be performed on a laboratory scale. Due to the consistent adjustable conditions such as temperature, speed and load applied to the friction partners, scientific studies can be carried out with reduced dis-turbance variables. At present, the tribometric results of laboratory instruments for predicting friction values do not translate into application in practice. The reasons for this are the compromises that have to be made in the design of the tribometers.
This work reviews the existing tribometers for their operating conditions and con-firms the need for a scientific method of characterising different waxes. In order to fill the gap between friction results obtained in laboratory tests which cannot yet be used in the selection of waxes, and traditional field tests, this thesis is dedicated to the methodical design and manufacture of a linear tribometer capable of measuring friction between a ski base made of UHMWPE (ultra high molecular weight polyeth-ylene) and an ice sample. The tribometer provides for the first time results that allow differentiating be-tween different modified waxes with regard to their running performance. Friction-influencing factors such as speed, temperature and the surface pressure below the ski base can be adjusted within the range relevant for ski sports. Furthermore, the laboratory-scale test stand, which is located in a cold chamber, is capable of ac-commodating not only typical ski jumping base lengths and widths, but also cross-country and alpine ski bases. To verify the tribometer, a ski base is treated with three waxes of different fluorine content and measured comparatively. With a minimum of 95% confidence, the friction differences between the tested waxes depending on their fluorine content is validated and proven at the end of this work.
Pervasive human impacts rapidly change freshwater biodiversity. Frequently recorded exceedances of regulatory acceptable thresholds by pesticide concentrations suggest that pesticide pollution is a relevant contributor to broad-scale trends in freshwater biodiversity. A more precise pre-release Ecological Risk Assessment (ERA) might increase its protectiveness, consequently reducing the likelihood of unacceptable effects on the environment. European ERA currently neglects possible differences in sensitivity between exposed ecosystems. If the taxonomic composition of assemblages would differ systematically among certain types of ecosystems, so might their sensitivity toward pesticides. In that case, a single regulatory threshold would be over- or underprotective.
In this thesis, we evaluate (1) whether the assemblage composition of macroinvertebrates, diatoms, fishes, and aquatic macrophytes differs systematically between the types of a European river typology system, and (2) whether these taxonomical differences engender differences in sensitivity toward pesticides. While a selection of ecoregions is available for Europe, only a single typology system that classifies individual river segments is available at this spatial scale - the Broad River Types (BRT).
In the first two papers of this thesis, we compiled and prepared large databases of macroinvertebrate (paper one), diatom, fish, and aquatic macrophyte (paper two) occurrences throughout Europe to evaluate whether assemblages are more similar within than among BRT types. Additionally, we compared its performance to that of different ecoregion systems. We employed multiple tests to evaluate the performances, two of which were also designed in the studies. All typology systems failed to reach common quality thresholds for the evaluated metrics for most taxa. Nonetheless, performance differed markedly between typology systems and taxa, with the BRT often performing worst. We showed that currently available, European freshwater typology systems are not well suited to capture differences in biotic communities and suggest several possible amelioration.
In the third study, we evaluated whether ecologically meaningful differences in sensitivity exist between BRT types. To this end, we predicted the sensitivity of macroinvertebrate assemblages across Europe toward Atrazine, copper, and Imidacloprid using a hierarchical species sensitivity distribution model. The predicted assemblage sensitives differed only marginally between BRT types. The largest difference between
median river type sensitivities was a factor of 2.6, which is far below the assessment factor suggested for such models (6), as well as the factor of variation commonly observed between toxicity tests of the same species-compound pair (7.5 for copper). Our results don’t support the notion that a type-specific ERA might improve the accuracy of thresholds. However, in addition to the taxonomic composition the bioavailability of chemicals, the interaction with other stressors, and the sensitivity of a given species might differ between river types.
Mechanistic disease spread models for different vector borne diseases have been studied from the 19th century. The relevance of mathematical modeling and numerical simulation of disease spread is increasing nowadays. This thesis focuses on the compartmental models of the vector-borne diseases that are also transmitted directly among humans. An example of such an arboviral disease that falls under this category is the Zika Virus disease. The study begins with a compartmental SIRUV model and its mathematical analysis. The non-trivial relationship between the basic reproduction number obtained through two methods have been discussed. The analytical results that are mathematically proven for this model are numerically verified. Another SIRUV model is presented by considering a different formulation of the model parameters and the newly obtained model is shown to be clearly incorporating the dependence on the ratio of mosquito population size to human population size in the disease spread. In order to incorporate the spatial as well as temporal dynamics of the disease spread, a meta-population model based on the SIRUV model was developed. The space domain under consideration are divided into patches which may denote mutually exclusive spatial entities like administrative areas, districts, provinces, cities, states or even countries. The research focused only on the short term movements or commuting behavior of humans across the patches. This is incorportated in the multi-patch meta-population model using a matrix of residence time fractions of humans in each patches. Mathematically simplified analytical results are deduced by which it is shown that, for an exemplary scenario that is numerically studied, the multi-patch model also admits the threshold properties that the single patch SIRUV model holds. The relevance of commuting behavior of humans in the disease spread has been presented using the numerical results from this model. The local and non-local commuting are incorporated into the meta-population model in a numerical example. Later, a PDE model is developed from the multi-patch model.
Cancer, a complex and multifaceted disease, continues to challenge the boundaries of biomedical research. In this dissertation, we explore the complexity of cancer genesis, employing multiscale modeling, abstract mathematical concepts such as stability analysis, and numerical simulations as powerful tools to decipher its underlying mechanisms. Through a series of comprehensive studies, we mainly investigate the cell cycle dynamics, the delicate balance between quiescence and proliferation, the impact of mutations, and the co-evolution of healthy and cancer stem cell lineages. The introductory chapter provides a comprehensive overview of cancer and the critical importance of understanding its underlying mechanisms. Additionally, it establishes the foundation by elucidating key definitions and presenting various modeling perspectives to address the cancer genesis. Next, cell cycle dynamics have been explored, revealing the temporal oscillatory dynamics that govern the progression of cells through the cell cycle.
The first half of the thesis investigates the cell cycle dynamics and evolution of cancer stem cell lineages by incorporating feedback regulation mechanisms. Thereby, the pivotal role of feedback loops in driving the expansion of cancer stem cells has been thoroughly studied, offering new perspectives on cancer progression. Furthermore, the mathematical rigor of the model has been addressed by deriving wellposedness conditions, thereby strengthening the reliability of our findings and conclusions. Then, expanding our modeling scope, we explore the interplay between quiescent and proliferating cell populations, shedding light on the importance of their equilibrium in cancer biology. The models developed in this context offer potential avenues for targeted cancer therapies, addressing perspective cell populations critical for cancer progression. The second half of the thesis focuses on multiscale modeling of proliferating and quiescent cell populations incorporating cell cycle dynamics and the extension thereof with mutation acquisition. Following rigorous mathematical analysis, the wellposedness of the proposed modeling frameworks have been studied along with steady-state solutions and stability criteria.
In a nutshell, this thesis represents a significant stride in our understanding of cancer genesis, providing a comprehensive view of the complex interplay between cell cycle dynamics, quiescence, proliferation, mutation acquisition, and cancer stem cells. The journey towards conquering cancer is far from over. However, this research provides valuable insights and directions for future investigation, bringing us closer to the ultimate goal of mitigating the impact of this formidable disease.