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For a comprehensive understanding of evolutionary processes and for providing reliable prognoses about the future consequences of environmental change, it is essential to reveal the genetic basis underlying adaptive responses. The importance of this goal increases in light of ongoing climate change, which confronts organisms worldwide with new selection pressures and requires rapid evolutionary change to avoid local extinction. Thereby, freshwater ectotherms like daphnids are particularly threatened. Unraveling the genetic basis of local adaptation is complicated by the interplay of forces affecting patterns of genetic divergence among populations. Due to their key position in freshwater communities, cyclic parthenogenetic mode of reproduction and resting propagules (which form biological archives), daphnids are particularly suited for this purpose.
The aim of this thesis was to assess the impact of local thermal selection on the Daphnia longispina complex and to reveal the underlying genetic loci. Therefore, I compared genetic differentiation among populations containing Daphnia galeata, Daphnia longispina and their interspecific hybrids across time, space, and species boundaries. I revealed strongly contrasting patterns of genetic differentiation between selectively neutral and functional candidate gene markers, between the two species, and among samples from different lakes, suggesting (together with a correlation with habitat temperatures) local thermal selection acting on candidate gene TRY5F and indicating adaptive introgression. To reveal the candidate genes’ impact on fitness, I performed association analyses among data on genotypes and phenotypic traits of D. galeata clones from seven populations. The tests revealed a general temperature effect as well as inter-population differences in phenotypic traits and imply a possible contribution of the candidate genes to life-history traits. Finally, utilizing a combined population transcriptomic and reverse ecology approach, I introduced a methodology with a wide range of applications in evolutionary biology and revealed that local thermal selection was probably a minor force in shaping sequence and gene expression divergence among four D. galeata populations, but contributed to sequence divergence among two populations. I identified many transcripts possibly under selection or contributing strongly to population divergence, a large amount thereof putatively under local thermal selection, and showed that genetic and gene expression variation is not depleted specifically in temperature-related candidate genes.
In conclusion, I detected signs of local adaptation in the D. longispina complex across space, time, and species barriers. Populations and species remained genetically divergent, although increased gene flow possibly contributed, together with genotypes recruited from the resting egg bank, to the maintenance of standing genetic variation. Further work is required to accurately determine the influence of introgression and the effects of candidate genes on individual fitness. While I found no evidence suggesting a response to intense local thermal selection, the high resilience and adaptive potential regarding environmental change I observed suggest positive future prospects for the populations of the D. longispina complex. However, overall, due to the continuing environmental degradation, daphnids and other aquatic invertebrates remain vulnerable and threatened.
Die Anwendung von Chemikalien führt in vielen Fällen zu deren Emission in die Umwelt. Besonders organische Substanzen wie zum Beispiel Pharmazeutika, Biozide und Waschmittelinhaltsstoffe wurden in den letzten Jahren vermehrt als Umweltkontaminanten in Oberflächengewässern nachgewiesen. Die organischen Umweltkontaminanten, auch Spurenstoffe genannt, haben oftmals i) unbekannte ökotoxikologische Wirkungen, ii) unbekannte Verteilungsverhalten, und iii) sind bisher hinsichtlich der Emission kaum reguliert. Wie bei allen Substanzen können Spurenstoffe in der Umweltmatrix und insbesondere auch in der Kläranlage zu sogenannten Transformationsprodukten (TPs) umgewandelt werden. Um den durch Spurenstoffe verursachten Herausforderungen technologisch begegnen zu können, wird ein besseres Verständnis über diese Transformationsprozesse benötigt. Diese Dissertationsarbeit befasst sich deshalb mit der Aufklärung von Transformationsprozessen ausgewählter Spurenstoffe während der biologischen Abwasserreinigung.
Für die Untersuchung des Abbaus von Trimethoprim wurden Inkubationsversuche angewendet und die Auswirkung der steigenden Dotierungskonzentrationen systematisch untersucht. Es wurden insgesamt sechs TPs charakterisiert. Die Dotierungskonzentration hatte sowohl Auswirkungen auf die kinetischen Konstanten, als auch auf die Transformationsreaktionen. Ein solcher Einfluss der experimentellen Bedingungen wurde bisher in der Literatur noch nicht berichtet. Nur bei niedriger Dotierungskonzentration wurde am Ende des Transformationswegs ein stabiles TP gebildet, die 2,4-Diaminopyrimidin-5-carbonsäure (DAPC). Diese Substanz konnte in Laborversuchen den Großteil der abgebauten Menge von Trimethoprim erklären. Durch Untersuchungen an einer Referenzkläranlage konnte festgestellt werden, dass nur die Inkubationsversuche bei niedriger Dotierungskonzentration die realen Prozesse adäquat abbilden konnten. Die Anwendung hoher Dotierungskonzentrationen führte in Laborversuchen zu einer veränderten TP-Bildung.
Drei phenolische Spurenstoffe wurden in Bezug auf ihre Transformation, insbesondere hin zu potenziell toxischen nitrophenolischen TPs, untersucht: das Desinfektionsmittel ortho-Phenylphenol (OPP), das Kunststoffadditiv Bisphenol-A (BPA) und das Hustenmittel Dextrorphan. Nitrit wurde als ein potenzieller Auslöser für die Nitrierung postuliert. Inkubationsversuche in Reinstwasser wurden mit OPP in Anwesenheit von Nitrit durchgeführt und bestätigten, dass nitro-(und nitroso-) phenolische TPs unter leicht sauren Bedingungen gebildet werden. Da in kommunalen Kläranlagen der pH-Wert in Belebtschlamm zumeist zwischen 7,5 und 8,5 liegt und Nitrit als Zwischenprodukt oft nur in niedrigen Konzentration vorhanden ist, wurde die Bildung von signifikanten Konzentrationen nitrophenolischer TPs als unwahrscheinlich eingestuft. Aufgrund der Ergebnisse von Inkubationsversuchen mit inokulierten Belebtschlamm war festzustellen, dass die drei untersuchten Spurenstoffe schnell zu biologischen TPs umgewandelt wurden. Die Studie zeigte wie das Bildungspotenzial von nitrophenolischen TPs gesteigert wird, wenn bestimmte Bedingungen im Belebtschlamm vorliegen: saurer pH und erhöhte Nitritkonzentration. Zudem wurde auch gezeigt, dass die Bildung von nitrophenolischen TPs durch das Ansäuern oder das Einfrieren von Proben initiiert werden kann.
Die Transformation vom Antiphlogistikum Diclofenac wurde in zwei unterschiedlichen Kläranlagen verglichen. Die erste Kläranlage verwendet Aufwuchskörper für ein verstärktes Biofilmwachstum, während die zweite mit einer konventionellen nitrifizierenden Belebtschlammbehandlung ausgestattet ist. Trotz der unterschiedlichen Behandlungstechniken konnten in beiden Fällen ähnliche Transformationsreaktionen festgestellt werden. Der wesentliche Unterschied bestand in den veränderten Kinetiken: Geschwindigkeitskonstanten (kbiol) waren ca. 50 Mal höher in Kontakt mit Aufwuchskörpern als im konventionellen Belebtschlamm. Der Transformationsweg führte zur Bildung einer Vielzahl an gering konzentrierten TPs. Monitoring-Kampagnen an den zwei Kläranlagen wurden zur Bestätigung der Ergebnisse angeschlossen. In der konventionellen Kläranlage wurde keine signifikante Diclofenac Entfernung gemessen. Wohingegen im Aufwuchskörperreaktor eine mittlere Entfernung von 88% gemessen wurde. Damit wäre die vorgeschlagene Umweltqualitätsnorm von 0.05 μg/L möglicherweise auch ohne die Anwendung von weiteren Behandlungsschritten wie z.B. Aktivkohlefiltration oder Ozonung erreichbar.
Koordinations- und Bewusstseinsmechanismen sind in Computer-Supported Cooperative Work (CSCW) und bei traditioneller Groupware von Wichtigkeit. Die Wissenschaft ist bestrebt, deren Bedeutung bei der Nutzung von Groupware und die damit verknüpfte Zusammenarbeit von Menschen tiefgründig zu untersuchen, um ihre Anwendung und Effizienz zu beschreiben. Dabei wurde bisher noch keine Klassifizierung der Mechanismen vorgenommen, um deren Gemeinsamkeiten und Unterschiede sowie ihre Anwendung herauszuarbeiten und ihrer Bedeutung im kollaborativem Umfeld nachzugehen. Zudem fehlt die Betrachtung der Mechanismen in neuen Formen von Groupware. In der Wissenschaft als auch in der Praxis haben Enterprise Collaboration Systems (ECS), die Social Software Funktionalität beinhalten, wachsende Bedeutung. Basierend auf der Kombination von traditioneller Groupware und Social Software Komponenten beinhalten diese auch Mechanismen, die die Kollaboration vereinfachen sollen, jedoch bisher noch nicht hinreichend untersucht wurde.
Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es daher, Beispiele für Koordinierungs- und Bewusstseinsmechanismen in der akademischen Literatur zu identifizieren um einen ersten Überblick über diese zu verschaffen. Aufbauend darauf ist es zudem Ziel, die Beispielmechanismen zu klassifizieren. Basierend auf einer Literaturanalyse werden Konzepte aus der Literatur übernommen und auf die ausgewählten Mechanismen angewendet um diese zu analysieren und zu klassifizieren. Dabei werden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Mechanismen herauszuarbeiten und beschrieben. Um ein Verständnis für die Anwendung von Koordinations- und Bewusstseinsmechanismen zu verdeutlichen, werden einige Mechanismen exemplarisch visualisiert. Die Beispiele beziehen sich auf die verschiedenen Klassifizierungsgruppen. Die Auswahl der Mechanismen für die Visualisierung basiert auf deren signifikanten Unterschiede in ihrer Funktionalität. Anschließend werden die ausgewählten Mechanismen, die in der Literatur traditioneller Groupware identifiziert wurden, in kleinen Ausmaß in sozial integrierter ECS kon-trollier. Dabei gilt es herauszufinden, ob die Beispielmechanismen vorzufinden sind und ob neue Mechanismen identifiziert werden können. Als Praxisbeispiel von ECS mit Sozialer Software dient die kollaborative Plattform von IBM Connections. IBM Connections wird an der Universität Koblenz eingesetzt, um die Plattform „UniConnect“ zu betreiben. Anhand einer ersten Toolanalyse wird herausgearbeitet, welche von den identifizierten Beispielen an Mechanismen in IBM Connections angewendet werden. Diese Arbeit stellt erste Schritte in der Untersuchung von Koordinierungs- und Bewusstseinsmechanismen in ECS mit Social Software dar. Darüber hinaus sollen Beispiele für neue, bisher unbekannte Mechanismen herausgearbeitet werden, die im Zuge des sozialen Faktors zu kollaborativen Arbeit eingesetzt werden.
Der Beitrag soll dazu dienen, Beispiele von Koordinierungs- und Bewusstseinsmechanismen in der Literatur zu identifizieren, zu analysieren und diese zusammenbringen um einen ersten Überblick zu erhalten. Desweiten wird eine erste Klassifizierung anhand der Unterschiedlichkeiten der Mechanismen vorgenommen. Nebenbei soll der Betrag einen Anreiz für weitere Untersuchungen schaffen, Koordinierungs- und Bewusstseinsmechanismen in sozial integrierter ECS tiefer zu untersuchen.
Grünland in Europa wurde über die Jahrhunderte hinweg durch steigende Intensivierung der Landnutzung geprägt. Die agrarischen Veränderungen und Weiterentwicklungen formten und veränderten die Biodiversität und führten letztlich zu massivem Artenrückgang. Heutzutage ist davon auszugehen, dass die planetare Belastungsgrenze für die globale Biodiversität und insbesondere die Biodiversität von Grünland bereits erreicht wurde. Politische Entscheidungsträger und Umweltschützer suchen daher Maßnahmen, die den agrarökonomischen Zweck der Biomasseproduktion mit dem Schutz und Erhalt von Biodiversität sowie der Aufrechterhaltung von Ökosystemprozessen vereinen. In früheren Zeiten und insbesondere vor der Einführung mineralischer Stickstoffdünger war Landnutzung im Wesentlichen von den strukturellen Gegebenheiten der Landschaft abhängig. Die Entwicklung regionalspezifischer Bewirtschaftungsmaßnahmen förderte durch die Schaffung von Habitaten für speziell angepasste Arten und Artenzusammensetzungen eine hohe Diversität auf Landschaftsebene.
Staubewässerung war seit dem frühen Mittelalter bis ins 20. Jahrhundert eine europaweit verbreitete Bewirtschaftungsmaßnahme zur Ertragssteigerung. Diese Form der Bewässerung, bei der angrenzende Flüsse systematisch aufgestaut werden, um das Wasser in die Wiesen zu leiten und durch im Wasser geführte Sedimente einen Düngeeffekt hervorzurufen, war typisch für Wiesenbewirtschaftung im Flachland. Abhängig von den strukturellen Gegebenheiten wurden regionaltypische Abwandlungen der Bewässerungssysteme entwickelt und prägten somit die Flora und Fauna dieser sogenannten Wässerwiesen. Mineralische Dünger machten diese arbeitsintensive Bewirtschaftungsform weitestgehend unprofitabel, sodass diese heutzutage nur noch in wenigen Regionen reliktartig als Tradition erhalten blieb.
In den Queichwiesen nahe Landau in der Pfalz wird mit zwischenzeitlichen Unterbrechungen seit dem 15. Jahrhundert traditionelle Staubewässerung betrieben. Die vorliegende Studie nutzte die Queichwiesen als Modellregion, um sowohl Langzeit- als auch Kurzzeiteffekte der Staubewässerung auf die Biodiversität und Nährstoffverfügbarkeit zu
untersuchen. In einer umfassenden Vegetationskartierung konnten wir einen positiven Effekt der Bewässerung auf die Diversität sowohl auf lokaler als auch auf Landschaftsebeneverzeichnen. Eine höhere strukturelle Vielfalt durch die Förderung niedrigwüchsiger Arten legt zwar einen positiven Effekt auf die Diversität von Arthropoden (Orthodoptera, Carabidae, Spinnen) nahe, dieser konnte jedoch nicht gefunden werden. Nichtsdestotrotz zeigten sich die bewässerten Wiesen als ökologisch bedeutsames Habitat für Arthropodenarten feuchter Biotope. In einem kombinierten Labor- und Feldexperiment untersuchten wir die Veränderung der Nährstoffverfügbarkeit durch Bewässerung. Zwar ist heutzutage nicht mehr von einem
direkten Düngeeffekt durch im Wasser geführte Schlacken auszugehen, aber dennoch zeigte sich ein indirekter Düngeeffekt der Bewässerung durch eine kurzzeitig stark erhöhte Pflanzenverfügbarkeit von Makro- und Mikronährstoffen. Die Ausprägung dieses Nährstoffpeaks und somit die Ausnutzung des sekundären Düngeeffekts zeigte eine graduelle Abhängigkeit auf Artebene, die eine spezifische Vegetationsentwicklung durch die Bewässerung untermauern. Diese Resultate legen daher nahe, dass Staubewässerung von Wiesen eine extensive Bewirtschaftungsform ist, die Biodiversität auf verschiedenen Skalenebenen fördert und gleichzeitig den Einsatz von Düngern reduzieren kann. Die Abstimmung von Düngung und Bewässerung bedarf jedoch der lokalspezifischen Evaluation abiotischer und biotischer Gegebenheiten.
Das Internet der Dinge (IoT) ist ein Netzwerk bestehend aus adressierbaren, physikalischen Objekten, die Sensor-, Kommunikations- und Aktuator-Technologien bereitstellen und mit ihrer Umwelt interagieren (Geschickter 2015). Wie jedes neue Konzept, hat auch IoT Interesse über jeden Anwendungsbereich hinweg, sowohl in Theorie als auch Praxis, geweckt und die verfügbaren Technologien an ihre Grenzen gebracht. Diese Grenzen machen sich insbesondere dann bemerkbar, wenn die Anzahl von Dingen (Things), die über verschiedenste Anwendungsbereiche hinweg verwaltet werden müssen, steigt. Um die neuartigen Anforderungen zu erfüllen, wurde eine Fülle von verschiedenen Systemen entwickelt, die alle ihre eigenen Interpretationen einer IoT Architektur und ihrer jeweiligen Komponenten anwenden. Dies hat dazu geführt, dass IoT aktuell eher ein Intranet der Dinge als ein Internet der Dinge ist (Zorzi et al. 2010). Daher ist es Ziel dieser Arbeit, ein einheitliches Verständnis der Komponenten, die eine IoT Architektur bilden, zu erlangen und generische Spezifikationen in Form eines Ganzheitlichen IoT Architektur Frameworks zur Verfügung zu stellen.
Diese Arbeit verwendet Design Science Research (DSR), um die genannte Architektur auf Basis der einschlägigen Literatur zu entwickeln. Die Entwicklung des Ganzheitlichen IoT Architektur Frameworks umfasst die Nutzung zwei neuer Perspektiven auf IoT Architekturen (IoT Architecture Perspectives), die während der Analyse von IoT Architekturen in der Literatur identifiziert wurden. Die Anwendung dieser neuen Perspektiven führte zur Erkenntnis, dass eine weitere, ebenfalls neuartige, Komponente in der Literatur implizit erwähnt wird. Die Beschreibungen der Komponenten von verschiedenen IoT Architekturen wurden vereinheitlicht und mit der neuen Komponente, dem Thing Management System, in Beziehung gesetzt, um das Ganzheitliche IoT Architektur Framework zu entwickeln. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Spezifikationen der Architektur als Vorlage für die Implementation eines Prototypen geeignet ist.
Der Hauptbeitrag dieser Arbeit ist ein vereinheitlichtes Verständnis der einzelnen Komponenten sowie deren Interaktionen einer IoT Architektur.
Mapping ORM to TGraph
(2017)
Object Role Modeling (ORM) is a semantic modeling language used to describe objects and their relations amongst each other. Both objects and relations may be subject to rules or ORM constraints.
TGraphs are ordered, attributed, typed and directed graphs. The type of a TGraph and its components, the edges and vertices, is defined using the schema language graph UML (grUML), a profiled version of UML class diagrams. The goal of this thesis is to map ORM schemas to grUML schemas in order to be able to represent ORM schema instances as TGraphs.
Up to this point, the preferred representation for ORM schema instances is in form of relational tables. Though mappings from ORM schemas to relational schemas exist, those publicly available do not support most of the constraints ORM has to offer.
Constraints can be added to grUML schemas using the TGraph query language GReQL, which can efficiently check whether a TGraph validates the constraint or not. The graph library JGraLab provides efficient implementations of TGraphs and their query language GReQL and supports the generation of grUML schemas.
The first goal of this work is to perform a complete mapping from ORM schemas to grUML schemas, using GReQL to sepcify constraints. The second goal is to represent ORM instances in form of TGraphs.
This work gives an overview of ORM, TGraphs, grUML and GReQL and the theoretical mapping from ORM schemas to grUML schemas. It also describes the implementation of this mapping, deals with the representation of ORM schema instances as TGraphs and the question how grUML constraints can be validated.
Natürliche Schädlingskontrolle und Bestäubung sind wichtige Ökosystemdienstleistungen für die Landwirtschaft. Diese können durch ökologische Landwirtschaft und naturnahe Lebensräume in der näheren oder weiteren Umgebung gefördert werden.
Das Potential naturnaher Lebensräume räuberische Fliegen(Kapitel 2 und 3)und Bienen (Kapitel 7) auf lokaler und Landschaftsebene zu fördern wurde in naturnahen Lebensräumen untersucht. Räuberische Fliegen bevorzugten verholzte Habitate und reagierten positiv auf die andschaftskomplexizität. Die Vielfalt von Bienen und die Häufigkeit von Honig- und Wildbienen in den naturnahen Lebensräumen wurde vor allem positiv von den vorhandenen Blütenressourcen beeinflusst.
Der Einfluss von ökologischer Landwirtschaft, angrenzenden naturnahen Lebensräumen und Landschaftskomplexizität auf natürliche Schädlingskontrolle (Kapitel 4) und Bestäubung (Kapitel 6) wurde in 18 Kürbisfeldern untersucht. Ökologische Landwirtschaft hatte keine starken Effekte auf die natürliche Schädlingskontrolle oder die Bestäubung von Kürbis. Die natürliche Schädlingskontrolle kann vor allem lokal durch das Blütenangebot in den angrenzenden Lebensräumen gefördert werden, weil dieses die Dichten der natürlichen Läusefeinde positiv beeinflusste und tendenziell die Läusedichte in den Kürbisfeldern reduzierte.
Kürbis ist ein beeindruckendes Beispiel für eine Schlüsselrolle von Wildbienen für den Bestäubungserfolg, weil Kürbis in Deutschland vor allem von Hummeln bestäubt wird trotz der höheren Besuchsdichten von Honigbienen. Die Bestäubung kann am besten durch Landschaftskomplexizität gefördert werden. Die Anzahl von Blütenbesuchen von Hummeln und infolgedessen auch die übertragene Pollenmenge wurden negativ von der landwirtschaftlich genutzten Fläche in der umgebenden Landschaft beeinflusst.
Der Einfluss von Läusedichten (Kapitel 8) und Bestäubung (Kapitel 5) auf den Kürbisertrag wurde ermittelt. Der Kürbisertrag wurde nicht beeinflusst von den beobachteten Läusedichten und war nicht bestäubungslimitiert bei der derzeitigen Menge an Bienenbesuchen.
Insbesondere naturnahe Lebensräume, die stetige und vielfältige Blütenressourcen bereitstellen, sind wichtig für Schädlingskontrolleure und Bestäuber. In Agrarlandschaften sollte ein ausreichender Anteil an verschiedenen Typen von naturnahen Lebensräumen erhalten und wiederhergestellt werden. Dadurch können natürliche Schädlingskontrolleure wie räuberische Fliegen, Bestäuber wie Hummeln,und die von ihnen geleistete Schädlingskontrolle und Bestäubung in Agrarlandschaften gefördert werden.
The extensive literature in the data visualization field indicates that the process of creating efficient data visualizations requires the data designer to have a large set of skills from different fields (such as computer science, user experience, and business expertise). However, there is a lack of guidance about the visualization process itself. This thesis aims to investigate the different processes for creating data visualizations and develop an integrated framework to guide the process of creating data visualizations that enable the user to create more useful and usable data visualizations. Firstly, existing frameworks in the literature will be identified, analyzed and compared. During this analysis, eight views of the visualization process are developed. These views represent the set of activities which should be done in the visualization process. Then, a preliminary integrated framework is developed based on an analysis of these findings. This new integrated framework is tested in the field of Social Collaboration Analytics on an example from the UniConnect platform. Lastly, the integrated framework is refined and improved based on the results of testing with the help of diagrams, visualizations and textual description. The results show that the visualization process is not a waterfall type. It is the iterative methodology with the certain phases of work, demonstrating how to address the eight views with different levels of stakeholder involvement. The findings are the basis for a visualization process which can be used in future work to develop the fully functional methodology.
Das Internet der Dinge – Internet of Things (IoT) – ist kürzlich der entfernten Vision des Ubiquitous Computing entwachsen und findet nunmehr konkret Eingang in Politik und Wirtschaft, welches sich in aufwendigen Förderprogrammen äußert. Unternehmen sehen sich mit dem von Experten vorhergesagten, gravierenden Wandel von Geschäftsmodellen konfrontiert und müssen darauf reagieren, um im Wettbewerb bestehen zu können. Obgleich daher ein Bedarf zur Strategieentwicklung bezüglich der kommenden Veränderungen in Unternehmen besteht, ist das Thema des organisationsbezogenen Wandels in Hinblick auf die neue Technologie in der akademischen Diskussion derzeit noch wenig präsent. Die vorliegende Arbeit erforscht IoT-verknüpften Wandel in Unternehmen, indem sie un- terschiedliche Arten des Wandels identifiziert und klassifiziert. Sie kombiniert zu diesem Zweck den methodischen Ansatz der gegenstandsbezogenen Theoriebildung (Grounded Theory) mit einer Diskussion und Klassifikation von identifizierten Veränderungen vor dem Hintergrund eines strukturierten Literaturüberblicks im Bereich des Wandels in Organisationen. Diesbezüglich erfolgt eine Meta-Analyse von Fallstudien mittels einer qualitativ-explorativen Kodierungs-Methode zur Identifizierung von Kategorien des organisationsbezogenen Wandels, welcher mit der Einführung von IoT in Verbindung steht. Darüber hinaus wird eine Gegenüberstellung der identifizierten Kategorien mit vorherigem technologie-verknüpftem Wandel am Beispiel von Electronic Business (e-business), Enterprise Resource Planning (ERP)-Systemen und Customer Relationship Management (CRM)-Systemen durchgeführt. Den Hauptbeitrag dieser Arbeit stellt die Entwicklung eines umfassenden Modells von organisationsbezogenem Wandel bezüglich IoT dar. Das Modell präsentiert zwei Hauptthemen des Wandels, welche nahe legen, dass persönliche, intelligente Objekte Unternehmen dadurch verändern werden, dass vermehrt personen-gebundene, mobile Geräte zum Einsatz kommen. Objekte schlagen ihren Nutzern Tätigkeiten oder den gesamten Arbeitsablauf vor und versuchen gefährliche Situationen zu vermeiden. Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit von Informationen im Unternehmen bis zur ubiquitären Präsenz steigen. Dies wird es letztlich ermöglichen, Informationen bezüglich Objekten und Personen jederzeit und an jedem Ort zu nutzen. Als Nebenergebnis gibt die vorliegende Arbeit einen Überblick über Konzepte der wissenschaftlichen Literatur im Bereich technologie-verknüpften Wandels in Organisationen.
Key mechanisms for the release of metal(loid)s from a construction material in hydraulic engineering
(2017)
Hydraulic engineering and thus construction materials are necessary to enable the navigability of water ways. Since, a variety of natural as well as artificial materials are used, this materials are world wide tested on a potential release of dangerous substances to prevent adverse effects on the environment. To determine the potential release, it is important to identify and to understand key mechanisms which are decisive for the release of hazardous substances. A limited correlation between the conditions used in regulatory tests and those found in environmental systems is given and hence, often the significance of results from standardised tests on construction materials is questioned, since they are not designed to mimic environmental conditions.
In Germany industrial by-products are used as armour stones in hydraulic engineering. Especially the by-product copper slag is used during the last 40 years for the construction of embankments, groynes and coastal protection. On the one hand, this material has a high density and natural resources (landscape) are protected. One the other hand, the material contains high quantities of metal(loid)s. Therefore the copper slag (product name: iron silicate stones) is very suitable as test material. Metal(loid)s examined were As, Sb and Mo as representatives for (hydr)oxide forming elements and Cd, Co, Cu, Fe, Ni, Pb and Zn were studied as representatives for elements forming cations during the release.
Questions addressed in this Thesis were: (i) can we transfer the results from batch experiments to construction scenarios under the prevalent environmental conditions, (ii) which long-term trends exist for the release of metal(loid)s from copper slags and (iii) how environmental conditions influence the leaching of metal(loid)s from water construction materials?
To answer the first question the surface depending release of the metal(loid)s from the construction materials was examined. Therefore, batch leaching experiments with different particle sizes and a constant liquid/solid ratio were performed. In a second step a comparison between different methods for the determination of the specific surface area of armour stones with a 3D laser scanning method as a reference were performed. In a last step it was possible to show that via a roughness factor the results of the specific surface area from small stones, measured with gas adsorption, can be connected with the results from armour stones, determined with an aluminium foil method. Based on calculations of the specific surface area, it was possible to significantly improve catchment scale calculation about the release of metal(loid)s and to evaluate a potential impact of construction materials in hydraulic engineering on the water chemistry of rivers and streams.
To answer the second question long-term leaching diffuse gradient in thin films supported experiments were performed for half a year. Diffuse gradients in thin films (DGT) is an in situ method to passive sample metal(loid)s in water, sediments and soils. They were used as a sink for metal(loid)s in the eluate to provide solution equilibriums. Thus the exchange of the eluent, which is performed normally in long-term experiments, was superfluous and long-term effects under undisturbed conditions were studied. The long-term leaching experiments with DGT have proven to be capable (i) to differentiate between the depletion of the material surface and the solution equilibriums and (ii) to study sorption processes with or without a further release of the analytes. This means for the practically relevant test material copper slag that: (i) the cations Cd, Co, Cu, Ni and Pb are confirmed to be released from the slag over the whole time period of six months, (ii) a surface depletion of Zn was detected, and (iii) that the (hydr)oxide forming elements As, Mo and Sb were released from the slag over the hole periods of six months but the release was masked by adsorption to Fe-oxide colloids, which were formed during the leaching experiments. It was confirmed, that sulphide minerals are the main source for long-term release of Cd, Cu, Ni, Pb and Mo.
To answer the third question short-term leaching experiments simulating environmental conditions in hydraulic engineering were performed. One factor is the salinity. The influence of this parameter was tested in batch experiments with sea salt solution (30 g/l), river Rhine water, ultra pure water and in addition with different NaCl concentration (5, 10, 20 and 30 g/l). In general, the ionic strength is an important factor for the metal(loid) release but the composition of the water (e.g. the HCO3- content) may superimpose this effect. Therefore, the concentrations of the metal(loid)s in the experiments with ultra-pure water spiked with sea salt or native river water and the ultra-pure water spiked with NaCl were significantly different. In a second experiment the influence of the environmental parameters and the interactions between the environmental parameters pH (4–10), sediment content (0 g–3.75 g), temperature (4 °C–36 °C) and ionic strength (0 g/l–30 g/l NaCl) on the release of metal(loid)s from the test material was examined. The statistical Design of Experiments (DoE) was used to study the influence of these factors as well as their interactions. All studied factors may impact the release of metal(loid)s from the test material to the eluent, whereas the release and the partitioning between sediment and eluate of metal(loid)s was impacted by interactions between the studied factors. The main processes were sorption, complexation, solubility, buffering and ion exchange. In addition, by separating the sediment from the slag after the experiments by magnetic separation, the enrichment of metal(loid)s in the sediment was visible. Thus, the sediment was the most important factor for the release of the metal(loid)s, via pH, temperature and ionic strength, because the sediment acted as a sink.