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Mathematical models of species dispersal and the resilience of metapopulations against habitat loss
(2021)
Habitat loss and fragmentation due to climate and land-use change are among the biggest threats to biodiversity, as the survival of species relies on suitable habitat area and the possibility to disperse between different patches of habitat. To predict and mitigate the effects of habitat loss, a better understanding of species dispersal is needed. Graph theory provides powerful tools to model metapopulations in changing landscapes with the help of habitat networks, where nodes represent habitat patches and links indicate the possible dispersal pathways between patches.
This thesis adapts tools from graph theory and optimisation to study species dispersal on habitat networks as well as the structure of habitat networks and the effects of habitat loss. In chapter 1, I will give an introduction to the thesis and the different topics presented in this thesis. Chapter 2 will then give a brief summary of tools used in the thesis.
In chapter 3, I present our model on possible range shifts for a generic species. Based on a graph-based dispersal model for a generic aquatic invertebrate with a terrestrial life stage, we developed an optimisation model that models dispersal directed to predefined habitat patches and yields a minimum time until these patches are colonised with respect to the given landscape structure and species dispersal capabilities. We created a time-expanded network based on the original habitat network and solved a mixed integer program to obtain the minimum colonisation time. The results provide maximum possible range shifts, and can be used to estimate how fast newly formed habitat patches can be colonised. Although being specific for this simulation model, the general idea of deriving a surrogate can in principle be adapted to other simulation models.
Next, in chapter 4, I present our model to evaluate the robustness of metapopulations. Based on a variety of habitat networks and different generic species characterised by their dispersal traits and habitat demands, we modeled the permanent loss of habitat patches and subsequent metapopulation dynamics. The results show that species with short dispersal ranges and high local-extinction risks are particularly vulnerable to the loss of habitat across all types of networks. On this basis, we then investigated how well different graph-theoretic metrics of habitat networks can serve as indicators of metapopulation robustness against habitat loss. We identified the clustering coefficient of a network as the only good proxy for metapopulation robustness across all types of species, networks, and habitat loss scenarios.
Finally, in chapter 5, I utilise the results obtained in chapter 4 to identify the areas in a network that should be improved in terms of restoration to maximise the metapopulation robustness under limited resources. More specifically, we exploit our findings that a network’s clustering coefficient is a good indicator for metapopulation robustness and develop two heuristics, a Greedy algorithm and a deducted Lazy Greedy algorithm, that aim at maximising the clustering coefficient of a network. Both algorithms can be applied to any network and are not specific to habitat networks only.
In chapter 6, I will summarize the main findings of this thesis, discuss their limitations and give an outlook of future research topics.
Overall this thesis develops frameworks to study the behaviour of habitat networks and introduces mathematical tools to ecology and thus narrows the gap between mathematics and ecology. While all models in this thesis were developed with a focus on aquatic invertebrates, they can easily be adapted to other metapopulations.
Im Kontext des Geschäftsprozessmanagements werden häufig sogenannte
Business Rules (Geschäftsregeln) als zentrales Artefakt zur Modellierung von
unternehmensinterner Entscheidungslogik sowie der Steuerung von Unternehmensaktivitäten eingesetzt. Eine exemplarische Geschäftsregel aus dem Finanzsektor wäre z.B. ”Ein Kunde mit geistiger Behinderung ist nicht geschäftsfähig”.
Business Rules werden hierbei meist von mehreren Mitarbeitern und über einen
längeren Zeitraum erstellt und verwaltet. Durch dieses kollaborative Arbeiten
kann es jedoch leicht zu Modellierungsfehlern kommen. Ein großes Problem in
diesem Kontext sind Inkonsistenzen, d.h. sich widersprechende Regeln. In Bezug
auf die oben gezeigte Regel würde beispielsweise eine Inkonsistenz entstehen,
wenn ein (zweiter) Modellierer eine zusätzliche Regel ”Kunden mit geistiger
Behinderung sind voll geschäftsfähig” erstellt, da diese beiden Regeln nicht zeitgleich einhaltbar sind. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Umgang
mit solchen Inkonsistenzen in Business Rule-Repositorien. Hierbei werden im
Speziellen Methoden und Techniken zur Erkennung, Analyse und Behebung von
Inkonsistenzen in Regelbasen entwickelt.
Eutrophierung infolge übermäßiger Nährstoffeinträge ist eine ernsthafte, weltweite Bedrohung für aquatische Ökosysteme und ist einer der wesentlichen anthropogenen Stressoren auf aquatische Organismen in europäischen Fließgewässern. In Bächen und kleinen bis mittelgroßen Flüssen führt Eutrophierung zu einem übermäßigen Wachstum von Periphyton und dadurch zu einem Verstopfen des hyporheischen Interstitials (biogene Kolmation). Infolgedessen kommt es zu einem Sauerstoffdefizit im Interstitial, wodurch die Habitatqualität für das Makrozoobenthos und für Eier und Larven kieslaichender Fische erheblich beeinträchtigt wird. Anders als in stehenden Gewässern fehlen effiziente Werkzeuge zur Eutrophierungssteuerung in Fließgewässern bisher. Eine Top-down Steuerung des Nahrungsnetzes durch gezielte Stützung der Fischbestände, vergleichbar mit der erfolgreich in Seen angewendeten Methode der Biomanipulation, ist ein vielversprechender Ansatz zur Reduktion von Eutrophierungseffekten in Fließgewässern – insbesondere in Einzugsgebieten, in denen die Nährstoffeinträge nicht erheblich reduziert werden können. Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial einer Top-down Steuerung zur Reduktion von Eutrophierungseffekten durch zwei großwüchsige karpfenartige Fischarten – die herbivore Nase (Chondrostoma nasus) und den omnivoren Döbel (Squalius cephalus) – in mittelgroßen Flüssen zu erfassen. Dazu habe ich Freilandexperimente auf unterschiedlich großen räumlichen und zeitlichen Skalen in einem eutrophierten Mittelgebirgsfluss durchgeführt. Generell haben die Ergebnisse dieser Experimente die zentrale Rolle von Top-down Effekten durch Fische in Fließgewässernahrungsnetzen aufgezeigt. In einem vierjährigen großskaligen Experiment, dem zentralen Teil meiner Arbeit, konnte ich zeigen, dass die Stützung der Bestände von Nase und Döbel zu einer deutlichen Verbesserung der Sauerstoffversorgung und des Wasseraustauschs im oberen Bereich des Interstitials geführt hat, und das, obwohl die Top-down Effekte der Fische auf die Periphytonbiomasse vergleichsweise gering ausgeprägt waren. Diese Ergebnisse konnten durch ein vierwöchiges Mesokosmosexperiment gestützt werden, das zugleichwertvolle Hinweise auf die zugrundeliegenden Mechanismen für die Verringerung der Eutrophierungseffekte im Interstitial durch Nase und Döbel geliefert hat. Durch hohe Dichten beider Fischarten wurde das Sauerstoffdefizit im Interstitial verringert, was wahrscheinlich auf eine Reduktion der biogenen Kolmation des Interstitials durch benthisches Grazing der Nasen bzw. durch Bioturbation der Döbel zurückzuführen war. Insgesamt zeigen die Ergebnisse meiner Arbeit, dass eine Biomanipulation durch Stützung der Bestände herbivorer und omnivorer Fische potenziell geeignet ist, um Eutrophierungseffekte in mittelgroßen Flüssen zu reduzieren. Die Ergebnisse könnten somit der erste Schritt sein, um Biomanipulation als unterstützende Maßnahme zur Verringerung von Eutrophierungseffekten in Fließgewässern zu etablieren, und damit zum Erhalt der aquatischen Biodiversität beitragen.
Wir leben in einer Welt, in der sich Umweltkrisen immer weiter zuspitzen. Um diese Krisen zu entschärfen, braucht es einen sozial-ökologischen Wandel, der mit Verhaltensänderungen in verschiedenen Bereichen des täglichen Lebens einhergehen muss. Ausgehend von dieser gesellschaftlichen Aufgabe, befasst sich die vorliegende Dissertation mit der Frage, wie Verhaltensänderungen auf individueller Ebene angestoßen werden können. Mit dem weltweiten Problem von Plastik in der Umwelt wird ein aktuelles und sozialwissenschaftlich wenig erforschtes Themenfeld aufgegriffen. Es wird untersucht, welche psychologischen Faktoren einen Einfluss darauf haben, den eigenen Plastikkonsum zu reduzieren. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf Plastikverpackungen, die den größten Anteil der derzeitigen Plastikproduktion ausmachen. Eine Barriere, die das Aufnehmen von neuen Verhaltensweisen erschwert, stellen die eigenen Gewohnheiten dar. Phasen von Umbrüchen, wie der Umzug in eine neue Stadt, gelten als vielversprechend zur Veränderung von Gewohnheiten. Die Dissertation untersucht daher, ob solche Phasen des Wandels ein Gelegenheitsfenster öffnen können, um alte Gewohnheiten zu durchbrechen und Verhaltensänderungen anzustoßen. Vier Manuskripte nähern sich diesem Thema von einem zunächst breiten Fokus einer Literaturstudie bis hin zu fokussierten Interventionsstudien an. Das Literaturreview (Manuskript 1) fasst 187 Studien zum Umgang mit Plastik aus sozialwissenschaftlicher Perspektive zusammen. Darauf aufbauend, untersucht eine Online-Studie (N = 648) plastikfreie Verhaltensintentionen (Manuskript 2). In einem Strukturgleichungsmodell werden Prädiktoren für Verhaltensintentionen im privaten sowie politischen Bereich analysiert. Zwei Experimentalstudien im Pre-Post-Design schließen an das Verhalten im Privaten an (Manuskript 3 + 4). Es wird untersucht, ob eine Intervention, die während der Fastenzeit (N =140) oder während eines Aktionsmonats (N = 366) präsentiert wird, ein Gelegenheitsfenster zur Konsumreduktion von Plastikverpackungen darstellen kann. Die Ergebnisse der empirischen Arbeiten weisen Moral- und Kontrollüberzeugungen als stärkste Prädiktoren für Verhaltensreduktionen aus. Der Zeitpunkt einer Intervention beeinflusst zudem die Wahrscheinlichkeit ein neues Verhalten auszuprobieren. Die Studien zeigen erste Belege, dass Gelegenheitsfenster umweltfreundliche Verhaltensänderungen im Kontext des Plastikkonsums erleichtern können. Theoretische und praktische Implikationen, wie Gelegenheitsfenstern zu einer sozial-ökologischen Transformation beigetragen können, werden diskutiert.
Previous research concerned with early science education revealed that guided play can support young children’s knowledge acquisition. However, the questions whether guided play maintains other important prerequisites such as children’s science self-concept and how guided play should be implemented remain unanswered. The present dissertation encompasses three research articles that investigated 5- to 6-year-old children’s science knowledge, science theories, and science self-concept in the stability domain and their relation to interindividual prerequisites. Moreover, the articles examined whether children’s science knowledge, science theories, and science self-concept can be supported by different play forms, i.e., guided play with material and verbal scaffolds, guided play with material scaffolds, and free play. The general introduction of the present dissertation first highlights children’s cognitive development, their science self-concept, and interindividual prerequisites, i.e., fluid and crystallised intelligence, mental rotation ability, and interest in block play. These prerequisites are applied to possible ways of supporting children during play. The first article focused on the measurement of 5-to-6-year-old children’s stability knowledge and its relation to interindividual prerequisites. Results suggested that children’s stability knowledge could be measured reliably and validly, and was related to their fluid and crystallised intelligence. The second article was concerned with the development of children’s intuitive stability theories over three points of measurement and the effects of guided and free play, children’s prior theories as well as their intelligence on these intuitive theories. Results implied that guided play with material and verbal scaffolds supported children’s stability theories more than the other two play forms, i.e., guided play with material scaffolds and free play. Moreover, consistency of children’s prior theories, their fluid and crystallised intelligence were related to children’s theory adaptation after the intervention. The third article focused on the effect of the playful interventions on children’s stability knowledge and science self-concept over three points of measurement. Furthermore, the reciprocal effects between knowledge acquisition and science self-concept were investigated. Results implied that guided play supported knowledge acquisition and maintained children’s science self-concept. Free play did not support children’s stability knowledge and decreased children’s science self-concept. No evidence for reciprocal effects between children’s stability knowledge and their science self-concept was found. Last, in a general discussion, the findings of the three articles are combined and reflected amidst children’s cognitive development. Summarising, the present dissertation shows that children’s science knowledge, science theories, and science self-concept can be supported through guided play that considers children’s cognitive development.
In vielen Teilen der Welt, vor allem in Subsahara-Afrika, ist Wasserknappheit bereits ein allgegenwärtiges Problem. Doch die Trockenjahre 2018 und 2019 zeigten, dass auch in Deutschland die Wasserressourcen endlich sind. Projektionen und Vorhersagen für die nächsten Jahrzehnte weisen zudem darauf hin, dass durch den steigenden Einfluss des Klimawandels die Erneuerungsraten der bestehenden Wasserressourcen zurückgehen, die Entnahmemengen aber aufgrund von Populationswachstum steigen werden. Es ist demnach an der Zeit, alternative und nachhaltige Methoden zu finden, die derzeit vorhandenen Wasserressourcen optimal zu nutzen. Daher rückte in den vergangenen Jahren die Wiederverwendung von geklärtem Abwasser zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen und/oder der Grundwasseranreicherung in den Fokus der Wissenschaft. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass in geklärtem Abwasser sogenannte Spurenstoffe zu finden sind, d.h. Substanzen, die durch anthropogenen Einfluss in den Wasserkreislauf gelangen. Dabei handelt es sich z.B. um Pharmazeutika, Pestizide und Industriechemikalien, aber auch um Metabolite, die im menschlichen Körper gebildet werden und in das Abwasser gelangen. Durch die Wasseraufbereitungsschritte in den Kläranlagen als auch durch biologische, chemische und physikalische Prozesse in der Bodenpassage bei der Wiederverwendung des geklärten Abwassers werden diese Spurenstoffe zu anderen Substanzen, den Transformationsprodukten (TPs), umgewandelt, die das Spektrum der Spurenstffe zusätzlich erweitern.
Trotz der Tatsache, dass das Vorhandensein von Human-Metaboliten und TPs in ungeklärtem und geklärten Abwasser seit langem bekannt ist, werden sie in gängigen Routine-Messmethoden nur selten berücksichtigt. Daher war es ein erstes Ziel dieser Dissertation eine Analyse-Methode zu erstellen, basierend auf Flüssigchromatographie-Tandem Massenspektrometrie (LC-MS/MS), die ein möglichst breites Spektrum an Spurenstoffen inklusive bekannter Metabolite und TPs enthält. Die entwickelte Multi-Analyt-Methode umfasst insgesamt 80 Ausgangssubstanzen und 74 Metabolite und TPs verschiedener Substanzklassen und ist für die Anwendung in verschiedenen Wassermatrices (Zu- und Ablauf von Kläranlagen, Oberflächenwasser und Grundwasser aus einer Uferfiltrationsanlage) validiert. Dabei wurde auch der Einfluss der MS-Parameter auf die Qualität der Analysedaten untersucht. Trotz der hohen Anzahl an Substanzen konnte eine ausreichende Anzahl an Datenpunkten je Peak generiert werden, wodurch eine hohe Empfindlichkeit und Präzision sowie eine gute Wiederfindung für alle Matrices erreicht wurden. Die Auswahl der Analyten erwies sich als relevant für die Untersuchung von Umweltmatrices, da 95% der Substanzliste in mindestens einer Probe nachgewiesen wurden. Mehrere Spurenstoffe, die bisher nicht im Fokus der gegenwärtigen Multi-Analyt-Methoden standen, wurden bei erhöhten Konzentrationen im Wasserkreislauf quantifiziert (z.B. Oxypurinol). Die Relevanz der Untersuchung von Metaboliten und TPs zeigte sich durch den Nachweis von z.B. Clopidogrel-Säure und Valsartansäure mit deutlich höheren Konzentrationen als ihre Ausgangssubstanzen. Valsartansäure konnte zudem sogar im Uferfiltrat detektiert werden.
Durch die Einbindung der Metabolite, die durch biologische Prozesse im Körper entstehen, und den biologischen und chemischen TPs, eignet sich die Multi-Analyt-Methode auch zur Aufklärung von Abbaumechanismen in natürlichen Behandlungssystemen zur Wasserwiederverwendung, wozu es in der Literatur bisher nur wenige Angaben gibt. Im Rahmen der Dissertation wurden Proben aus zwei Systemen analysiert, einem im Pilotmaßstab entwickelten oberirdischen sequenziellen Biofiltrationssystem (SBF) und einem großmaßstäblichen Bodenpassagen-System (SAT). Im SBF-System konnten hauptsächlich biologische Abbaumechanismen beobachtet werden, was durch die Entstehung biologischer TPs deutlich gezeigt wurde. Die Effizienz des Abbaus wurde dabei durch eine Zwischenbelüftung erhöht, die oxische Bedingungen hervorrief. Im SAT-System kam es zu einer Kombination von Bioabbau- und Sorptionsprozessen. Es wurde beobachtet, dass bei einigen biologisch abbaubaren Spurenstoffen ein geringerer Abbau erreicht wurde als im SBF-System, was auf unterschiedliche Redox-Bedingungen und eine andere mikrobielle Gemeinschaft zurückzuführen war. Als Vorteil des SAT-Systems gegenüber des SBF erwies sich die Sorptionsfähigkeit des natürlichen Bodens. Vor allem positiv geladene Spurenstoffe zeigten eine Entfernung aufgrund von ionischen Wechselwirkungen mit negativ geladenen Bodenpartikeln. Auf der Grundlage ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften bei Umgebungs-pH, ihres Entfernungsgrades in den untersuchten Systemen und ihres Vorkommens im einfließenden Wasser konnte eine Auswahl von prozessbasierten Indikatorsubstanzen vorgeschlagen werden.
In den vorherigen Arbeiten wurde in Kläranlagenabläufen häufig ein Spurenstoff in erhöhten Konzentrationen nachgewiesen, der bisher wenig im Fokus der Umweltforschung stand: das Antidiabetikum Sitagliptin (STG). STG zeigt nur eine geringe Abbaubarkeit in biologischen Systemen. Daher wurde untersucht, inwieweit eine chemische Aufbereitung mittels Ozonung einen Abbau gewährleisten kann. STG weist in seiner Struktur ein aliphatisches primäres Amin als entscheidende Angriffsstelle für das Ozonmolekül auf. In der Literatur finden sich kaum Informationen zum Verhalten dieser funktionellen Gruppe während der Ozonung. Die in dieser Dissertation erzielten Ergebnisse können daher exemplarisch für andere Spurenstoffe mit Amingruppen herangezogen werden. Es zeigte sich eine pH-abhängige Abbaukinetik aufgrund der Protonierung des primären Amins bei niedrigen pH-Werten. Bei für die Umwelt und Kläranlagen typischen pH-Werten im Bereich 6 – 8 wies STG Abbaukinetiken mittels Ozon im Bereich 103 M-1s-1 auf, mit einem vollständigen Abbau kann allerdings erst bei deutlich höheren pH-Werten > 9 gerechnet werden. Die Transformation des primären Amins zu einer Nitro-Gruppe wurde als Hauptabbaumechanismus in der Ozonung identifiziert. Ebenfalls wurde die Entstehung weiterer TPs wie z.B. eines Diketons und Trifluoressigsäure (TFA) beobachtet. Untersuchungen an einer Pilotanlage, bei der die Ozonung unter realen Bedingungen mit dem Ablauf einer konventionellen Kläranlage durchgeführt wurde, bestätigte die Ergebnisse der Laboruntersuchungen: STG wurde auch bei einer hohen Ozondosis nicht vollständig entfernt und die Nitro-Verbindung erwies sich als Haupt-TP, das weder bei weiterer Ozonung noch in einer nachgeschalteten biologischen Behandlung abgebaut wurde. Es ist daher davon auszugehen, dass unter realen Bedingungen sowohl eine Restkonzentration an STG als auch das Haupt-TP sowie weitere TPs wie TFA im Ablauf einer Kläranlage bestehend aus konventioneller biologischer Aufreinigung, Ozonung und nachgeschalteter biologischer Aufreinigung auffindbar sind.
Thousands of chemicals from daily use are being discharged from civilization into the water cycle via different pathways. Ingredients of personal care products, detergents, pharmaceuticals, pesticides, and industrial chemicals thus find their way into the aquatic ecosystems and may cause adverse impacts on the ecology. Pharmaceuticals for instance, represent a central group of anthropogenic chemicals, because of their designed potency to interfere with physiological functions in organisms. Ecotoxicological effects from pharmaceutical burden have been verified in the past. Therapeutic groups with pronounced endocrine disrupting potentials such as steroid hormones gain increasing focus in environmental research as it was reported that they cause endocrine disruption in aquatic organisms even when exposed to environmentally relevant concentrations. This thesis considers the comprehensive investigation of the occurrence of corticosteroids and progestogens in wastewater treatment plant (WWTP) effluents and surface waters as well as the elucidation of the fate and biodegradability of these steroid families during activated sludge treatment. For the first goal of the thesis, a robust and highly sensitive analytical method based on liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was developed in order to simultaneously determine the occurrence of around 60 mineralocorticoids, glucocorticoids and progestogens in the aquatic environment. A special focus was set to the compound selection due to the diversity of marketed synthetic steroids. Some analytical challenges have been approved by individual approaches regarding sensitivity enhancement and compound stabilities. These results may be important for further research in environmental analysis of steroid hormones. Reliable and low quantification limits are the perquisite for the determination of corticosteroids and progestogens at relevant concentrations due to low consumption volumes and simultaneously low effect-based trigger values. Achieved quantification limits for all target analytes ranged between 0.02 ng/L and 0.5 ng/L in surface water and 0.05 ng/L to 5 ng/L in WWTP effluents. This sensitivity enabled the detection of three mineralocorticoids, 23 glucocorticoids and 10 progestogens within the sampling campaign around Germany. Many of them were detected for the first time in the environment, particularly in Germany and the EU. To the best of our knowledge, this in-depth steroid screening provided a good overview of single steroid burden and allowed for the identification of predominantly steroids of each steroid
type analyzed for the first time. The frequent detection of highly potent synthetic steroids (e.g. triamcinolone acetonide, clobetasol propionate, betamethasone valerate, dienogest, cyproterone acetate) highlighted insufficient removal during conventional Summary wastewater treatment and indicated the need for regulation to control their emission since the steroid concentrations were found to be above the reported effect-based trigger values for biota. Overall, the study revealed reliable environmental data of poorly or even not analyzed steroids. The results complement the existing knowledge in this field but also providednew information which can beused particularly for compound prioritization in ecotoxicological research and environmental analysis. Based on the data obtained from the monitoring campaign, incubation experiments were conducted to enable the comparison of the biodegradability and transformation processes in activated sludge treatment for structure-related steroids under aerobic and standardized experimental conditions. The compounds were accurately selected to cover manifold structural moieties of commonly used glucocorticoids, including non-halogenated and halogenated steroids, their mono- and diesters, and several acetonide-type steroids. This approach allowed for a structure-based interpretation of the results. The obtained biodegradation rate constants suggested large variations in the biodegradability (half-lifes ranged from < 0.5 h to > 14 d). An increasing stability was identified in the order from non-halogenated steroids (e.g. hydrocortisone), over 9α-halogenated steroids (e.g. betamethasone), to C17-monoesters (e.g. betamethasone 17-valerate, clobetasol propionate), and finally to acetonides (e.g. triamcinolone acetonide), thus suggesting a strong relationship of the biodegradability with the glucocorticoid structure. Some explanations for this behavior have been received by identifying the transformation products (TPs) and elucidating individual transformation pathways. The results revealed the identification of the likelihood of transformation reactions depending on the chemical steroid structure for the first time. Among the identified TPs, the carboxylates (e.g. TPs of fluticasone propionate, triamcinolone acetonide) have been shown persistency in the subsequent incubation experiments. The newly identified TPs furthermore were frequently detected in the effluents of full-scale wastewater treatment plants. These findings emphasized i) the transferability of the lab-scale degradation experiments to real world and that ii) insufficient removals may cause adverse effects in the aquatic environment due to the ability of the precursor steroids and TPs to interact with the endocrine system in biota. For the last goal, the conceptual study for glucocorticoids was applied to progestogens.
Here, two sub-types of the steroid family frequently used for hormonal contraception were selected (17α-hydroxyprogesterone and 19-norstestosterone type). The progestogens showed a fast and complete degradation within six hours, and thus empathizes pronounced biodegradability. However, cyproterone acetate and dienogest Summary have been found to be more recalcitrant in activated sludge treatment. This was consistent with their ubiquitously occurrence during the previous monitoring campaign. The elucidation of TPs again revealed some crucial information regarding the observed behavior and highlighted furthermore the formation of hazardous TPs. It was shown that 19-nortestosterone type steroids are able to undergo aromatization at ring A in contact with activated sludge, leading to the formation of estrogen-like TPs with a phenolic moiety at ring A. In the case of norethisterone the formation of 17α-ethinylestradiol was confirmed, which is a well-known potent synthetic estrogen with elevated ecotoxicological potency. Thus, the results indicated for the very first time an unknown source of estrogenic compounds, particularly for 17α-ethinylestradiol. In conclusion, some steroids were found to be very stable in activated sludge treatment, others degrade well, and others which do degrade but predominantly to active TPs depending on their chemical structure. Fluorinated acetal steroids such as triamcinolone acetonide and fluocinolone acetonide are poorly biodegradable, which is reflected in high concentrations detected ubiquitously in WWTP effluents. Endogenous steroids and their most related synthetic once such as hydrocortisone, prednisolone or 17α-hydroxyprogesterone are readily biodegradable. Regardless their high influent concentrations, they are almost completely removed in conventional WWTPs. Steroids between this range have been found to form elevated quantities of TPs which are partially still active, which particularly the case for betamethasone, fluticasone propionate, cyproterone acetate or dienogest. The thesis illustrates the need for an extensive evaluation of the environmental risks and carried out that corticosteroids and progestogens merit more attention in environmental regulatory and research than it is currently the case
The protected areas of Rwanda are facing various challenges resulting from the anthropogenic activities of the surrounding communities especially in the adjacent area to Cyamudongo isolated rain forest, which results in climate change, soil degradation, and loss of biodiversity. Therefore, this study aims to broaden current knowledge on the impact of sustainable Agroforestry (AF) on the Carbon (C) stock and Biodiversity conservation on the surroundings of Cyamudongo isolated rain forest and Ruhande Arboretum.
To understand this, the permanent sample plots (PSPs) were established mainly in the designed four transects of four km long originating on the boundary of the Cyamudongo isolated rain forest following the slope gradient ranging from 1286 to 2015 m asl. A total number of 73 PSPs were established in the Cyamudongo study area while 3 PSPs were established in the Ruhande AF plot. The Arc Map GIS 10.4 was used to design and map the sampling areas while GPS was used for localization of collected items. Statistical significance was analyzed through the R-software especially for wood and soil variables while for biodiversity indicator species, MVSP Software 3.0 was used to determine the Shannon Diversity indices and similarities among species.
In this study, I have obtained comprehensive results demonstrating that in all study areas, the various AF tree species contribute differently to C stock and C sequestration and the amount of C stored and removed from the atmosphere depends on different factors such as tree species, plantation density, growth stage, or the age of establishment, applied management practices, wood specific density (WSD), wood C concentration, and climatic conditions. The estimated quantity of sequestrated C for 2 years and 34 years AF species were 13.11 t C ha -1 yr-1 (equivalent to 48 t CO2 ha -1 yr-1) and 6.85 t ha-1 yr-1 (equivalent to 25.1 t CO2 ha -1 yr-1) in Cyamudongo and Ruhande respectively. The estimated quantity of C stored by the Ruhande AF plot is 232.94 t ha-1. In Cyamudongo, the overall C stored by the AF systems was 823 t ha-1 by both young tree species established by the Cyamudongo Project (35.84 t ha-1) and C stored by existed AF species before the existence of the Project (787.12 t ha-1). In all study areas, the Grevillea robusta was found to contribute more to overall stored C compared to other species under this study.
The tests revealed differences in terms of nutrient contents (C, N, C: N ratio, K, Na, Ca, and Mg) for various AF tree species of Cyamudongo and Ruhande study areas. The differences in terms of correlation for various variables of AF tree species in different study areas varied with tree species, age, stage of growth, and tree shape. By comparing the correlation coefficients for various tree variables for young and mature AF tree species, the results showed a high correlation variability for young species than mature or old species recorded in different environmental conditions of Cyamudongo and Ruhande study areas.
The recorded soil pH mean value across in Cyamudongo study area is 4.2, which is very strongly acidic. The tests revealed that the soil pH, C, C: N ratio, OM, NH4+, NO3-+NO2-, PO43-, and CEC were significantly (P < 0.05) different in various soil depths whereas the N was not statistically significant. The pH, N, C: N ratio, CEC, NH4+, PO43-, and Al3+ showed a significant difference across land uses whereas the C and NO3-+NO2- did not show any statistical difference. All tested chemical elements showed a statistical difference as far as altitude ranges are concerned. The only NH4+, PO43-, and CEC showed significant differences with time whereas all other remaining chemical elements did not show any statistical significance. The bulk density of soil was statistically different across land uses and altitude ranges. The soil pH was very strongly correlated with CEC, Mg, and Ca in cropland (CL) whereas it was strongly correlated in both AF and natural forest (NF) except for Mg, which was moderately correlated in AF. Furthermore, its correlation with K was strong in CL, moderate in AF while it was weak in NF. Finally, the pH correlation with Na was weak in both AF and CL whereas it was negligible in NF. The overall estimated soil C stock of the study area was 16848 t ha -1.
The sustainable AF practices changed significantly the frequency of reptiles, amphibians, and flowering plants while there was no statistical change observed on ferns with time. In terms of species richness, 16 flowering plants, 14 ferns, 5 amphibians, and 3 reptiles were recorded and monitored. These findings add to a growing body of literature on the impact of AF on the C stock, soil improvement, and Biodiversity. It is recommended that further researches should be undertaken for the contribution of other AF tree species to the C stock found in the agricultural landscape around all protected areas of Rwanda and the impact on them on the soil and biodiversity.
We consider variational discretization of three different optimal control problems.
The first being a parabolic optimal control problem governed by space-time measure controls. This problem has a nice sparsity structure, which motivates our aim to achieve maximal sparsity on the discrete level. Due to the measures on the right hand side of the partial differential equation, we consider a very weak solution theory for the state equation and need an embedding into the continuous functions for the pairings to make sense. Furthermore, we employ Fenchel duality to formulate the predual problem and give results on solution theory of both the predual and the primal problem. Later on, the duality is also helpful for the derivation of algorithms, since the predual problem can be differentiated twice so that we can apply a semismooth Newton method. We then retrieve the optimal control by duality relations.
For the state discretization we use a Petrov-Galerkin method employing piecewise constant states and piecewise linear and continuous test functions in time. For the space discretization we choose piecewise linear and continuous functions. As a result the controls are composed of Dirac measures in space-time, centered at points on the discrete space-time grid. We prove that the optimal discrete states and controls converge strongly in L^q and weakly-* in Μ, respectively, to their smooth counterparts, where q ϵ (1,min{2,1+2/d}] is the spatial dimension. The variational discrete version of the state equation with the above choice of spaces yields a Crank-Nicolson time stepping scheme with half a Rannacher smoothing step.
Furthermore, we compare our approach to a full discretization of the corresponding control problem, precisely a discontinuous Galerkin method for the state discretization, where the discrete controls are piecewise constant in time and Dirac measures in space. Numerical experiments highlight the sparsity features of our discrete approach and verify the convergence results.
The second problem we analyze is a parabolic optimal control problem governed by bounded initial measure controls. Here, the cost functional consists of a tracking term corresponding to the observation of the state at final time. Instead of a regularization term for the control in the cost functional, we consider a bound on the measure norm of the initial control. As in the first problem we observe a sparsity structure, but here the control resides only in space at initial time, so we focus on the space discretization to achieve maximal sparsity of the control. Again, due to the initial measure in the partial differential equation, we rely on a very weak solution theory of the state equation.
We employ a dG(0) approximation of the state equation, i.e. we choose piecewise linear and continuous functions in space, which are piecewise constant in time for our ansatz and test space. Then, the variational discretization of the problem together with the optimality conditions induce maximal discrete sparsity of the initial control, i.e. Dirac measures in space. We present numerical experiments to illustrate our approach and investigate the sparsity structure
As third problem we choose an elliptic optimal control governed by functions of bounded variation (BV) in one space dimension. The cost functional consists of a tracking term for the state and a BV-seminorm in terms of the derivative of the control. We derive a sparsity structure for the derivative of the BV control. Additionally, we utilize the mixed formulation for the state equation.
A variational discretization approach with piecewise constant discretization of the state and piecewise linear and continuous discretization of the adjoint state yields that the derivative of the control is a sum of Dirac measures. Consequently the control is a piecewise constant function. Under a structural assumption we even get that the number of jumps of the control is finite. We prove error estimates for the variational discretization approach in combination with the mixed formulation of the state equation and confirm our findings in numerical experiments that display the convergence rate.
In summary we confirm the use of variational discretization for optimal control problems with measures that inherit a sparsity. We are able to preserve the sparsity on the discrete level without discretizing the control variable.
Echzeitbetriebssysteme für Systeme mit gemischten Kritikalitäten müssen unterschiedliche Arten von Software, wie z.B. Echtzeitanwendungen und Allzweckanwendungen, gleichzeitig unterstützen. Dabei müssen sie eine solide räumliche und zeitliche Isolation zwischen unabhängigen Softwarekomponenten bieten. Daher fokussieren sich aktuelle Echtzeitbetriebssysteme hauptsächlich auf Vorhersagbarkeit und ein berechenbares Worst-Case-Verhalten.
Allerdings bieten Allzweck-Betriebssysteme wie Linux häufig effizientere, aber weniger deterministische Mechanismen, welche die durchschnittliche Ausführungszeit signifikant erhöhen. Diese Thesis befasst sich mit der Kombination der beiden gegensätzlichen Anforderungen und zeigt Mechanismen zur Thread-Synchronisation mit einem effizienten Durchschnittsverhalten, ohne jedoch die Vorhersagbarkeit und das Worst-Case-Verhalten zu beeinträchtigen. Diese Thesis untersucht und bewertet den Entwurfsraum von Abkürzungen (engl. fast paths) bei der Umsetzung von typischen blockierenden Synchronisationsmechanismen wie Mutexen, Bedingungsvariablen, Zähl-Semaphoren, Barrieren oder Nachrichtenwarteschlangen. Der Ansatz ist dabei, unnötige Systemaufrufe zu vermeiden. Systemaufrufe haben im Vergleich zu anderen Prozessoroperationen, die im Benutzermodus verfügbar sind, wie z.B. atomaren Operationen, höhere Kosten. Insbesondere erforscht die Thesis Futexe, ein aktuelles Design für blockierende Synchronisationsmechanismen in Linux, welches den konkurrenzfreien Fall der Synchronisierung mithilfe atomarer Operationen im Benutzermodus löst und den Kern nur aufruft, um Threads zu suspendieren und aufzuwecken. Die Thesis untersucht auch nicht-unterbrechbare Monitore mit aktivem Warten. Dort wird ein effizienter Mechanismus mit Prioritätsschranken verwendet, um das sogenannte Lock-Holder-Preemption-Problem ohne Systemaufrufe zu vermeiden. Ebenfalls werden passende niedere Kernprimitive beschrieben, die effiziente Warte- und Benachrichtigungsoperationen ermöglichen. Die Evaluation zeigt, dass die vorgestellten Ansätze die durchschnittliche Leistung vergleichbar zu aktuellen Ansätzen in Linux verbessern. Gleichzeitig zeigt eine Analyse des Worst-Case Zeitverhaltens, dass die Ansätze nur konstante oder begrenzte zeitliche Mehraufwände auf der Ebene des Betriebssystemkerns benötigen. Die Nutzung dieser Abkürzungen ist ein lohnender Ansatz für den Entwurf von Systemen, die nicht nur Echtzeitanforderungen erfüllen, sondern auch Allzweckanwendungen gut unterstützen sollen.