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Human action recognition from a video has received growing attention in computer vision and has made significant progress in recent years. Action recognition is described as a requirement to decide which human actions appear in videos. The difficulties involved in distinguishing human actions are due to the high complexity of human behaviors as well as appearance variation, motion pattern variation, occlusions, etc. Many applications use human action recognition on captured video from cameras, resulting in video surveillance systems, health monitoring, human-computer interaction, and robotics. Action recognition based on RGB-D data has increasingly drawn more attention to it in recent years. RGB-D data contain color (Red, Green, and Blue (RGB)) and depth data that represent the distance from the sensor to every pixel in the object (object point). The main problem that this thesis deals with is how to automate the classification of specific human activities/actions through RGB-D data. The classification process of these activities utilizes a spatial and temporal structure of actions. Therefore, the goal of this work is to develop algorithms that can distinguish these activities by recognizing low-level and high-level activities of interest from one another. These algorithms are developed by introducing new features and methods using RGB-D data to enhance the detection and recognition of human activities. In this thesis, the most popular state-of-the-art techniques are reviewed, presented, and evaluated. From the literature review, these techniques are categorized into hand-crafted features and deep learning-based approaches. The proposed new action recognition framework is based on these two categories that are approved in this work by embedding novel methods for human action recognition. These methods are based on features extracted from RGB-D data that are
evaluated using machine learning techniques. The presented work of this thesis improves human action recognition in two distinct parts. The first part focuses on improving current successful hand-crafted approaches. It contributes into two significant areas of state-of-the-art: Execute the existing feature detectors, and classify the human action in the 3D spatio-temporal domains by testing a new combination of different feature representations. The contributions of this part are tested based on machine learning techniques that include unsupervised and supervised learning to evaluate this suitability for the task of human action recognition. A k-means clustering represents the unsupervised learning technique, while the supervised learning technique is represented by: Support Vector Machine, Random Forest, K-Nearest Neighbor, Naive Bayes, and Artificial Neural Networks classifiers. The second part focuses on studying the current deep-learning-based approach and how to use it with RGB-D data for the human action recognition task. As the first step of each contribution, an input video is analyzed as a sequence of frames. Then, pre-processing steps are applied to the video frames, like filtering and smoothing methods to remove the noisy data from each frame. Afterward, different motion detection and feature representation methods are used to extract features presented in each frame. The extracted features
are represented by local features, global features, and feature combination besides deep learning methods, e.g., Convolutional Neural Networks. The feature combination achieves an excellent accuracy performance that outperforms other methods on the same RGB-D datasets. All the results from the proposed methods in this thesis are evaluated based on publicly available datasets, which illustrate that using spatiotemporal features can improve the recognition accuracy. The competitive experimental results are achieved overall. In particular, the proposed methods can be better applied to the test set compared to the state-of-the-art methods using the RGB-D datasets.
Wildbienen sind unerlässlich für die Bestäubung von Wild- und Kulturpflanzen. Die zunehmende Intensivierung der Landwirtschaft führte jedoch sowohl zu einer Verringerung und Fragmentierung als auch zu einer Wertminderung der von ihnen benötigten Lebensräume innerhalb der letzten Jahrzehnte. Die damit einhergehenden Verluste von Bestäubern und ihrer Bestäubung stellt die weltweite Nahrungsmittelproduktion vor eine immense Herausforderung. Zur Förderung von Wildbienen ist die Verfügbarkeit von Blüteressourcen essentiell. Die Blühdauer einzelner Ressourcen ist jedoch zeitlich begrenzt und hat, je nach Blütezeitpunkt, unterschiedliche Effekte auf Bestäuber und deren Bestäubung.
Um Wildbienen als Bestäuber in Agrarlandschaften effizient fördern und nutzen zu können, identifizierten wir deshalb die artspezifischen Schlüsselressourcen dreier ausgewählter Wildbienen und deren räumliche und zeitliche Verfügbarkeit (KAPITEL 2, 3 & 4). Wir untersuchten, welche Habitatstypen diese Ressourcen überwiegend bereitstellen (KAPITEL 3 & 4). Wir untersuchten zudem, ob Blütenressourcenkarten, die auf der Nutzung dieser Schlüsselressourcen und deren räumlich zeitlicher Verfügbarkeit basieren, die Abundanzen und die Entwicklung der ausgewählten Wildbienen (KAPITEL 3 & 4) und die Bestäubung (KAPITEL 5) besser erklären als Habitatkarten, die die Verfügbarkeit von Blüteressourcen nur indirekt beschreiben.
Für jede der untersuchten Arten konnten wir unterschiedliche, im frühen Saisonverlauf (April/Mai) überwiegend holzige im späteren Verlauf (Juni/Juli) auch zunehmend krautige, Schlüsselarten identifizieren (KAPITEL 2, 3 & 4). Die Wildobst- und Wildheckengehölze unserer Agrarlandschaften stellten rund 75% der Blütenressourcen für Erdhummeln, 60% für Rote Mauerbienen und 55% für Gehörnte Mauerbienen bereit, obwohl sie einen Flächenanteil von nur 3% ausmachten (KAPITEL 3 & 4). Obstplantagen stellten zusätzlich rund 35% des Blütenangebots für Gehörnte Mauerbienen auf 4% der Fläche bereit (KAPITEL 3). Wir konnten zeigen, dass beide Mauerbienenarten von der Ressourcenverfügbarkeit in den umliegenden Landschaften profitierten (KAPITEL 3). Bei Erdhummeln zeigte sich dieser Zusammenhang jedoch nicht (KAPITEL 4). Stattdessen waren die Gewichtszunahme ihrer Kolonien, die Anzahlen der darin ausgebildeten Königinnenzellen und die Überlebensdauer der Kolonie mit zunehmender Nähe zum Wald höher. Ebenfalls auf die beiden Mauerbienenarten wirkte sich die Waldnähe positiv aus (KAPITEL 3). Daneben profitierten Rote Mauerbienen durch krautige halbnatürliche Habitate. Nachteilig wirkten sich Siedlungsflächen auf die Gehörnten Mauerbienen, und Ackerland auf die Roten Mauerbienen aus. Habitatkarten erklärten die Abundanzen der Gehörnten Mauerbienen gleich gut wie Blütenressourcenkarten, jedoch wurden die Abundanzen der Roten Mauerbienen deutlich besser durch Schlüsselressourcen erklärt. Die Bestäubung der Ackerbohne erhöhte sich mit höheren Anteilen früher Blütenressourcen (KAPITEL 5). Dabei zeigte sich keine messbare Reduktion der Bestäubung durch gleichzeitig blühende Ressourcen. Habitatkarten erklärten die Bestäubung der Ackerbohne auch besser als Blütenressourcenkarten. Dabei nahm die Bestäubung mit zunehmenden Anteilen an Siedlungsflächen in den Landschaften zu und reduzierte sich mit zunehmenden Anteilen von Ackerland.
Unsere Ergebnisse verdeutlichen die Wichtigkeit der räumlich-zeitlichen Verfügbarkeit bestimmter Schlüsselarten als Ressourcenpflanzen von Wildbienen in Agrarlandschaften. Sie zeigen, dass Habitatkarten detaillierten Blütenressourcenkarten in der Vorhersage der Entwicklung von Wildbienen und deren Bestäubung voraus oder zumindest ebenbürtig sind. Dennoch ermöglichen es
Blütenressourcenkarten, genauere Schlüsse zwischen den einzelnen Ressourcen und den untersuchten Organismen zu ziehen. Die Nähe zu Waldrändern wirkte sich positiv auf jede der drei untersuchten Wildbienenarten aus. Neben der reinen Nahrungsverfügbarkeit scheinen jedoch weitere Faktoren das Vorkommen von Wildbienen in Agrarlandschaften mitzubestimmen.
Content and Language Integrated Learning (CLIL) has experienced growing importance in the last decades and an increasing number of schools have already implemented CLIL programmes or are planning to do so. Though the potentials of CLIL programmes are widely praised, first research results also raise doubts if CLIL students can live up to these high expectations. Both Fehling (2005) as well as Rumlich (2013; 2016), for example, found that CLIL programmes not inevitably show the expected results but that the CLIL students’ success might also be at least partially explained by other influences, such as the selection process of future CLIL students. Hence, CLIL students apparently fall short of the high expectations that are usually connected to the respective CLIL programmes and as this is mainly based on the unsatisfactory quality of these programmes, Rumlich concludes that “it is now high time to focus on the quality of CLIL provision” (Rumlich 2016: 452). He continues to explain that “the promises of CLIL do not materialise automatically owing to the fact that another language is used for learning in a non-language subject” (Rumlich 2016: 452). It must be assumed that the success of CLIL teaching also highly depends on the quality of the CLIL teachers.
In contrast to the continuously growing number of CLIL schools, however, the number of specifically trained CLIL teachers is comparably small. In Germany, CLIL teachers are not (yet) required to attend any special training in order to teach in a CLIL programme. Notwithstanding, is it sufficient for a CLIL teacher only to be trained in the content subject and the foreign language? Or does CLIL teaching require more than the sum of these two components? Do CLIL teachers need additional teaching competences to the ones of a content and a language teacher? In the light of the recent findings of CLIL programmes falling short of the high expectations, the answer to these questions must clearly be “Yes”. Hence, in order to appropriately train (future) CLIL teachers, special training programmes need to be developed which consider the teachers’ individual educational backgrounds, i.e. their qualifications as language and/or as content teachers and build up on these competences through adding the CLIL-specific teaching competences.
Therefore, this thesis aims at developing a German Framework for CLIL Teacher Education, which considers both the already published, theory-based standards of CLIL teacher education as well as the practical perspective of experienced CLIL teachers in Germany. This German Framework for CLIL Teacher Education classifies the different teaching competences, which are derived from integrating the theoretical and the practical perspective on CLIL teacher education, with regard to the three different competence areas, i.e. the general teaching competence, the language teaching competence and the subject teaching competence and is hence adaptable to different CLIL settings and educational backgrounds. In addition to developing this German Framework for CLIL Teacher Education, which provides the content of future CLIL teacher education programmes, this thesis discusses different forms of structurally implementing CLIL teacher education programmes in the existing structures of teacher education in Germany. This is achieved through analysing the current state of the art of CLIL teacher education at German universities and systematising the different forms of implementing these training programmes in the prevailing educational structures. Building on these first two steps, in the third and final step, this thesis develops a CLIL teacher education programme at a German university that is based on the results and elements of the German Framework for CLIL Teacher Education as well as the state of the art of CLIL teacher education in Germany. Thus, this thesis is allocated at the intersection between foreign language teaching as well as teacher education and is structured in eleven chapters.
Als mehrsprachiges System stelltWikipedia viele Herausforderungen sowohl an Akademiker als auch an Ingenieure. Eine dieser Herausforderungen ist die kulturelle Kontextualisierung der Wikipedia-Inhalte und der Mangel an Ansätzen zu ihrer effektiven Quantifizierung. Außerdem scheint es an der Absicht zu fehlen, solide Berechnungspraktiken und Rahmenbedingungen für die Messung kultureller Variationen in dem Datenmaterial zu schaffen. Die derzeitigen Ansätze scheinen hauptsächlich von der Datenverfügbarkeit diktiert zu werden, was ihre Anwendung in anderen Kontexten erschwert. Ein weiterer häufiger Nachteil ist, dass sie aufgrund eines erheblichen qualitativen oder Übersetzungsaufwands selten skalieren. Um diesen Einschränkungen zu begegnen, werden in dieser Arbeit zwei modulare quantitative Ansätze entwickelt und getestet. Sie zielen darauf ab, kulturbezogene Phänomene in Systemen zu quantifizieren, die auf mehrsprachigem, nutzergeneriertem Inhalt beruhen. Insbesondere
ermöglichen sie es: (1) einen benutzerdefinierten Kulturbegriff in einem System zu operationalisieren; (2) kulturspezifische Inhalts- oder Abdeckungsverzerrungen in einem solchen System zu quantifizieren und zu vergleichen; und (3) eine großräumige Landschaft mit gemeinsamen kulturellen Interessen und Schwerpunkten abzubilden. Die empirische Validierung dieser Ansätze ist in zwei Teile gegliedert. Erstens wird ein Ansatz zur Kartierung von Wikipedia-Gemeinschaften mit gemeinsamen redaktionellen Interessen auf zwei großenWikipedia Datensätzen validiert, die multilaterale geopolitische und sprachliche Redakteursgemeinschaften umfassen. Beide Datensätze zeigen messbare Cluster von konsistenten Mitredaktionsinteressen und bestätigen rechnerisch, dass diese Cluster mit bestehenden kolonialen, religiösen, sozioökonomischen und geographischen Bindungen übereinstimmen.
Zweitens wird ein Ansatz zur Quantifizierung von Inhaltsunterschieden anhand eines mehrsprachigen Wikipedia-Datensatzes und eines Multiplattform-Datensatzes (Wikipedia und Encyclopedia Britannica) validiert. Beide sind auf einen ausgewählten Wissensbereich der Nationalgeschichte beschränkt. Diese Analyse ermöglicht es erstmals im großen Maßstab, die Verteilung der historischen Schwerpunkte in den Artikeln zur Nationalgeschichte zu quantifizieren und zu visualisieren. Alle Ergebnisse werden entweder von Fachexperten oder von externen Datensätzen kreuzvalidiert. Die wichtigsten Beiträge der Dissertation. Diese Dissertation: (1) stellt einen Versuch dar, den Prozess der Messung kultureller Variationen in nutzergeneriertem Datenmaterial zu formalisieren; (2) stellt zwei neue Ansätze zur Quantifizierung der kulturellen Kontextualisierung in mehrsprachigem Datenmaterial vor und testet sie; (3) schafft einen wertvollen Überblick über die Literatur zur Definition und Quantifizierung von Kultur; (4) liefert wichtige empirische Erkenntnisse über die Wirkung von Kultur auf den Inhalt und die Abdeckung von Wikipedia; zeigt, dass Wikipedia nicht kontextfrei ist, und dass diese Unterschiede nicht als Rauschen, sondern als ein wichtiges Merkmal des Datenmaterials behandelt werden sollten. (5) leistet einen praktischen Beitrag durch das Teilen von Datenmaterial und Visualisierungen.
Diese Arbeit befasst sich mit den reduzierten Basismethoden für parametrisierte quasilineare elliptische und parabolische partielle Differentialgleichungen mit stark monotonem Differentialoperator. Es werden alle Bestandteile der Methode mit reduzierter Basis vorgestellt: Basisgenerierung für reduzierte Approximation, Zertifizierung des Approximationsfehlers durch geeignete a-posteriori Fehlerkontrolle und Offine-Online-Zerlegung. Die Methodik wird ferner auf die magnetostatischen und magnetoquasistatischen Näherungen der Maxwellschen Gleichungen angewendet und ihre Gültigkeit wird durch numerische Beispiele bestätigt.
The belief in a just world in face of injustice: victim, observer, and perpetrator perspectives
(2021)
Jeden Tag geschieht uns, unseren Nachbarn oder Menschen auf der ganzen Welt Ungerechtigkeit. Doch der Glaube an eine gerechte Welt (GGW) hilft uns, mit dieser Ungerechtigkeit umzugehen, und motiviert uns, uns gerecht zu verhalten. Studien haben gezeigt, dass diese Funktionen, die der GGW erfüllt, für die Aufrechterhaltung der psychischen Gesundheit bedeutend sind. Die Bedingungen, unter denen der GGW funktioniert und wann Menschen diesen Glauben aufgeben, sind jedoch nicht gut untersucht. In der vorliegenden Dissertation wird untersucht, wann der GGW erschüttert werden kann, welche Rolle die Außenwelt und andere interne Ressourcen angesichts von Ungerechtigkeit spielen und welche Rolle der GGW bei der Vorhersage korrupten Verhaltens spielt. Es wurden drei Studien durchgeführt, die jeweils einer Seite der Ungerechtigkeit entsprechen: einem Opfer, einem Beobachter und einem Täter.
Studie 1 untersuchte die Auswirkungen einer kriminellen Viktimisierung auf den GGW und die schützende Rolle der Gerechtigkeitsvorstellungen im Strafrechtsprozess. Diese Studie zeigte, dass Opfer sehr schwerer Straftaten, wie häusliche Gewalt und Menschenhandel, einen niedrigeren persönlichen GGW aufwiesen als Nicht-Opfer und Opfer weniger schwerer Straftaten, und dass eine höhere Wahrnehmung der informationelle Gerechtigkeit die Auswirkungen der Viktimisierung auf den persönlichen GGW verringerte. Studie 2 hatte zum Ziel die Veränderungen des GGW nach der Beobachtung schwerer Ungerechtigkeit zu untersuchen. Diese Studie zeigte, dass der GGW der jugendlichen Teilnehmer nach der Beobachtung von Amokläufen an anderen Schulen anstieg. Außerdem beeinflussten Lebenszufriedenheit und wahrgenommene soziale Unterstützung die Veränderung der GGW. Studie 3 untersuchte die Beziehungen zwischen GGW und korruptem Verhalten. Eine Querschnittsstudie zeigte, dass der persönliche GGW das Korruptionsverhalten vorhersagen kann.
Die Ergebnisse der drei Studien haben gezeigt, dass GGW nicht isoliert betrachtet werden kann. Eine externe Welt und interne Ressourcen können die Bedrohung durch Ungerechtigkeit auf dem GGW reduzieren. Der GGW spielt eine wichtige Rolle bei der Vorhersage von ungerechtem Verhalten, weshalb die Behörden bestrebt sein sollten, den GGW ihrer Bürger zu erhalten.
Graph-based data formats are flexible in representing data. In particular semantic data models, where the schema is part of the data, gained traction and commercial success in recent years. Semantic data models are also the basis for the Semantic Web - a Web of data governed by open standards in which computer programs can freely access the provided data. This thesis is concerned with the correctness of programs that access semantic data. While the flexibility of semantic data models is one of their biggest strengths, it can easily lead to programmers accidentally not accounting for unintuitive edge cases. Often, such exceptions surface during program execution as run-time errors or unintended side-effects. Depending on the exact condition, a program may run for a long time before the error occurs and the program crashes.
This thesis defines type systems that can detect and avoid such run-time errors based on schema languages available for the Semantic Web. In particular, this thesis uses the Web Ontology Language (OWL) and its theoretic underpinnings, i.e., description logics, as well as the Shapes Constraint Language (SHACL) to define type systems that provide type-safe data access to semantic data graphs. Providing a safe type system is an established methodology for proving the absence of run-time errors in programs without requiring execution. Both schema languages are based on possible world semantics but differ in the treatment of incomplete knowledge. While OWL allows for modelling incomplete knowledge through an open-world semantics, SHACL relies on a fixed domain and closed-world semantics. We provide the formal underpinnings for type systems based on each of the two schema languages. In particular, we base our notion of types on sets of values which allows us to specify a subtype relation based on subset semantics. In case of description logics, subsumption is a routine problem. For
the type system based on SHACL, we are able to translate it into a description
logic subsumption problem.
Enterprise Collaboration Systems (ECS) haben sich als zentrale Werkzeuge zur computergestützten Kommunikation und Kollaboration zwischen Mitarbeitenden in Unternehmen entwickelt. ECS vereinen Funktionalitäten aus social media und Groupware. Daher führen mehr und mehr Unternehmen ECS ein, um die Zusammenarbeit am digitalen Arbeitsplatz zu unterstützen. Dementsprechend bilden ECS den Kern des digitalen Arbeitsplatzes. Dies verleiht den Logs dieser Systeme einen besonderen Wert, da sich einzigartige Möglichkeiten bieten, um Kollaboration zwischen Mitarbeitern am digitalen Arbeitsplatz zu beobachten und zu analysieren.
Der aktuelle Stand der Forschung zeigt auf, dass es sowohl in der Forschung aus auch in der Praxis keine einheitliche Herangehensweise an die Analyse von ECS Logfiles gibt. Aufgrund des eingeschränkten Funktionsumfangs von ECS Analytics Software können Wissenschaftler und Praktiker das volle Potenzial der Logs nicht ausschöpfen. Da die Logfiles von ECS zur Untersuchung von Kollaboration am digitalen Arbeitsplatz von großem Wert sind, müssen neue Methoden und Kennzahlen für deren Analyse entwickelt werden. Um die bestehenden Limitationen zu adressieren, beantwortet diese Dissertation die folgenden Forschungsfragen:
1. Welches sind die aktuellen Herangehensweisen an die Messung von Kollaboration in Enterprise Collaboration Systems?
2. Wie kann Social Collaboration Analytics in der Praxis angewendet werden?
Diese Dissertation entwickelt SCA als Methode für die Messung und Analyse von Kollaboration in ECS. Durch die Beantwortung der Forschungsfragen, baut die Dissertation ein allgemeines, breites Verständnis dieses neuen Forschungsfeldes auf und entwickelt eine Herangehensweise für die Anwendung von SCA. Als Teil der ersten Forschungsfrage stellt die Dissertation den Status Quo von SCA in Forschung und Praxis fest. Im Zuge der Beantwortung der zweiten Forschungsfrage wird das Social Collaboration Analytics Framework (SCAF) entwickelt. Das Framework ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation und wurde auf Basis einer Analyse von 86 SCA Studien, den Ergebnissen aus 6 Fokusgruppen und den Ergebnissen einer Befragung von 27 ECS Anwenderunternehmen entwickelt. Die Phasen von SCAF wurden aus einer Analyse von bestehenden Prozessmodellen für data mining und business intelligence abgeleitet. Die acht Phasen des Frameworks beinhalten detaillierte Beschreibungen, Arbeitsschritte und Leitfragen, die eine Schritt für Schritt Anwendung für die Anwendung von SCA bieten.
Diese Dissertation verfolgt einen qualitativ-dominanten mixed-methods Ansatz. Als Teil der Forschungsinitiative IndustryConnect besteht Zugang zu mehr als 30 führenden ECS-Anwenderunternehmen. Die Durchführung von aufeinander aufbauenden Fokusgruppen ermöglicht die Sammlung einzigartiger Daten über einen längeren Zeitraum hinweg. Basierend auf einer Tiefenfallstudie und ECS Logs eines Unternehmens, zeigt die Dissertation auf, wie das SCA Framework in der Praxis angewendet werden kann.
The role of alternative resources for pollinators and aphid predators in agricultural landscapes
(2021)
Der Verlust zahlreicher Insekten wird weitgehend in Verbindung gebracht mit dem Verlust von natürlichem und halbnatürlichem Lebensraum durch intensivierte Landnutzung. Viele Insekten liefern wichtige Ökosystemleistungen an die Landwirtschaft wie z.B. Bestäubung und Schädlingsbekämpfung. Um diese Insekten effizient auf den verbleibenden halbnatürlichen Flächen zu fördern, ist genaues Wissen über ihre Ansprüche an das Umland von Agrarflächen erforderlich. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Suche nach den wichtigsten halbnatürlichen Habitattypen (Waldrand, Wiesen und halb-offene Habitate) zur Förderung von Nützlingen und Bestäubern aufgrund der Bedeutung von Nahrungsressourcen, welche sie dort nutzen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Blütenressourcen und wie diese räumlich und zeitlich im Kulturland verteilt sind. Darauf basierte Ressourcenkarten versprechen eine Charakterisierung der Landschaft, welche der Relevanz für Insekten näher kommt als klassische Habitatkarten. In dieser These wurde deshalb verglichen, ob sich das Vorkommen von Wildbienen, sowie Nektar und Pollen konsumierenden Nützlingen besser mit klassischen Habitatkarten, oder mit Ressourcenkarten vorhersagen lässt und identifizierte Habitate besonderer Wichtigkeit. Bei Wildbienen wurde untersucht, inwiefern sich Präferenzen verschiedener Gruppen von Wildbienen unterscheiden und ob es zeitliche und räumliche Zusammensetzungen von Blühressourcen gibt, die besonders optimal sind. Da sich Nützlinge nebst der Nutzung von Blüten vor allem räuberisch ernähren, wurde des Weiteren deren Beutespektrum untersucht. Dazu wurde der Darminhalt von Marienkäfern mit genetischen Methoden mittels High Throughput Sequencing auf konsumierte Blattläuse analysiert.
Blütenbasierte Ressourcenkarten sagten Bienen besser voraus als klassische Habitatkarten. Der Waldrand war dabei von besonderer Bedeutung. Sowohl Flächenanteil als auch Blühangebot hatten positive Einflüsse auf Abundanz und Artenreichtum von wichtigen Kulturbestäubern und seltenen Arten. Ähnliche Muster zeigten sich für Wiesendiversität. Dabei schien besonders das frühe Blühangebot einen positiven Einfluss auf Wildbienen zu haben. Kulturen und Obstbäume verursachten im April einen Blütenpuls, der das Blühangebot vom Mai und Juni um mehr als das Zehnfache überstieg. Waldränder boten besonders Anfang Mai und im Juni ein Blühangebot, das im Verhältnis zur Fläche die weitaus höchste Dichte aufwies. Das Blühangebot von Wiesen war äusserst gering, zeigte aber die höchste Diversität, welche regelmässig über die Saison verteilt war.
Obwohl die untersuchten Nützlinge Blüten fürs Überleben benötigen, waren blütenbasierte Habitatkarten weniger geeignet, um die Nützlingsabundanz zu erklären, als herkömmliche Habitatkarten. Diese zeigten, dass Waldränder von besonderer Bedeutung für Nützlinge sind. Die Anzahl der Nützlinge wiederum führte zur Unterdrückung von Blattläusen. Die Resultate der Darmuntersuchungen zeigten zum einen, dass Marienkäfer einen relativ hohen Anteil an schädlichen Blattlausarten und Brennesselblattläusen konsumieren, zum anderen zeigen sie, dass mit Klebfallen gefangene Marienkäfer einen wesentlich breiteren Einblick in das Beutespektrum erlauben, als von Hand gesammelt. Der zu diesem Zweck entwickelte Blattlausprimer wird für kommende Studien bei der Identifizierung der Blattlausbeute von Marienkäfern hilfreich sein.
Unsere Resultate zeigen, dass Blütenkarten einen wichtigen Mehrwert für die Vorhersage von Wildbienen haben, nicht aber von Nützlingen, da für diese wohl andere Habitatfaktoren zusätzlich limitierend wirken. Der positive Einfluss von Waldrändern für unterschiedliche Gruppen von Wildbienen wie auch für Nützlinge und ihre Leistung als Schädlingsbekämpfer ist besonders hervorzuheben.
Artificial intelligence (AI) is of rising importance in these days. AI is increasingly used in various company fields. Nonetheless, no high-quality scientific sources could be found stating the use of AI in the field of leadership. This research gap is addressed with this elaboration by performing expert interviews with leaders. In total seventeen companies could be questioned. The results indicate that AI is not widely used in leadership yet since only one company uses it currently and just about 10% of the participants plan the implementation in the closer feature. While the following items ex- plain why companies want to use AI in leadership: Chances for automation, time and cost savings, many important disadvantages and issues prevent companies from actively using it now: No areas of application are known, no need justifies the use, human interactions as a key aspect of leadership is reduced and it is hard to collect all necessary data. Beyond that, it was aimed to identify changes in the field of leadership through the use of AI. This objective could not be addressed due to the limited number of participants using AI in leadership.
Keywords: Leadership, artificial intelligence, transformation, state-of-use
Das Stereotype Content Modell (SCM, Fiske et al., 2002) schlägt zwei fundamentale Dimensionen der sozialen Wahrnehmung vor: Wärme, also die freundliche oder feindliche Intention des Bewertungsobjekts, und Kompetenz, also die Fähigkeit, besagte Intentionen in die Tat umzusetzen. Die praktischen Anwendungen des SCMs sind sehr weitreichend und haben zu der Annahme geführt, Wärme und Kompetenz seien universelle Dimensionen der sozialen Bewertung.
Die vorliegende Doktorarbeit hat fünf vor allem methodologische Schwächen der SCM- Forschung und -Literatur identifiziert: (I) Eine unzureichende anfängliche Skalenentwicklung; (II) die Nutzung variierender Skalen ohne hinreichende Prüfung der Skalenperformanz in der anschließenden SCM-Forschung; (III) die vorherrschende Nutzung von Analysemethoden der ersten Generation; (IV) die unzureichende Definition und empirische Testung der Universalitätsannahme des SCM; (V) die eingeschränkte Anwendung des SCM in Bezug auf einige soziale Gruppen. Diese Schwächen wurden in vier wissenschaftlichen Artikelmanuskripten aufgegriffen, welche allesamt streng den Empfehlungen der offenen Wissenschaft folgten.
Manuskript # 1 nutzte veröffentlichte Daten von englischen SCM-Skalen, um die Mess-Eigenschaften der genutzten Wärme- und Kompetenz-Skalen zu reanalysieren. Das Manuskript berichtet die Skalenreliabilität, -Dimensionalität und Vergleichbarkeit der Skalen über verschiedene Bewertungsobjekte hinweg sowie verschiedene Performanz-Parameter der einzelnen Indikatoren auf im Rahmen einer (Multi-Gruppen-) konfirmatorischen Faktor-Analyse. Die Befunde zeigen, dass zwei Drittel aller reanalysierten Skalen nicht die theoretisch angenommene Wärme- und Kompetenz-Dimensionalität haben. Weiterhin zeigten nur elf Prozent aller Skalen die Voraussetzungen für aussagekräftige Mittelwertsvergleiche zwischen Bewertungsobjekten. Manuskript # 2 beschreibt eine Replikation von Manuskript # 1 im deutschsprachigen Landes- und Sprachkontext und zeigt nahezu identische Ergebnisse wie Manuskript # 1. Manuskript # 3 untersucht die soziale Wahrnehmung von Subgruppen von Geflüchteten in Deutschland. Wir konnten zeigen, dass die soziale Kategorie der Geflüchteten generell unvorteilhaft in Bezug auf Wärme und Kompetenz wahrgenommen wurde, aber dass die soziale Wahrnehmung der Subgruppen von Geflüchteten sich in Abhängigkeit der geografischen Herkunft, der religiösen Zugehörigkeit und der Fluchtgründe unterschied. Diese Befunde wurden durch die Nutzung eines Reliabilitäts-korrigierenden Verfahrens zum Vergleich von Mittelwerten namens Alignment-Optimierung generiert. Manuskript # 4 entwickelte und testete eine leistungsfähige SCM-Skala zur Erfassung von Stereotypen von Berufsgruppen mittels explorativer und konfirmatorischer Faktorenanalysen.
Scientific and public interest in epidemiology and mathematical modelling of disease spread has increased significantly due to the current COVID-19 pandemic. Political action is influenced by forecasts and evaluations of such models and the whole society is affected by the corresponding countermeasures for containment. But how are these models structured?
Which methods can be used to apply them to the respective regions, based on real data sets? These questions are certainly not new. Mathematical modelling in epidemiology using differential equations has been researched for quite some time now and can be carried out mainly by means of numerical computer simulations. These models are constantly being refinded and adapted to corresponding diseases. However, it should be noted that the more complex a model is, the more unknown parameters are included. A meaningful data adaptation thus becomes very diffcult. The goal of this thesis is to design applicable models using the examples of COVID-19 and dengue, to adapt them adequately to real data sets and thus to perform numerical simulations. For this purpose, first the mathematical foundations are presented and a theoretical outline of ordinary differential equations and optimization is provided. The parameter estimations shall be performed by means of adjoint functions. This procedure represents a combination of static and dynamical optimization. The objective function corresponds to a least squares method with L2 norm which depends on the searched parameters. This objective function is coupled to constraints in the form of ordinary differential equations and numerically minimized, using Pontryagin's maximum (minimum) principle and optimal control theory. In the case of dengue, due to the transmission path via mosquitoes, a model reduction of an SIRUV model to an SIR model with time-dependent transmission rate is performed by means of time-scale separation. The SIRUV model includes uninfected (U) and infected (V ) mosquito compartments in addition to the susceptible (S), infected (I) and recovered (R) human compartments, known from the SIR model. The unknwon parameters of the reduced SIR model are estimated using data sets from Colombo (Sri Lanka) and Jakarta (Indonesia). Based on this parameter estimation the predictive power of the model is checked and evaluated. In the case of Jakarta, the model is additionally provided with a mobility component between the individual city districts, based on commuter data. The transmission rates of the SIR models are also dependent on meteorological data as correlations between these and dengue outbreaks have been demonstrated in previous data analyses. For the modelling of COVID-19 we use several SEIRD models which in comparison to the SIR model also take into account the latency period and the number of deaths via exposed (E) and deaths (D) compartments. Based on these models a parameter estimation with adjoint functions is performed for the location Germany. This is possible because since the beginning of the pandemic, the cumulative number of infected persons and deaths
are published daily by Johns Hopkins University and the Robert-Koch-Institute. Here, a SEIRD model with a time delay regarding the deaths proves to be particularly suitable. In the next step, this model is used to compare the parameter estimation via adjoint functions with a Metropolis algorithm. Analytical effort, accuracy and calculation speed are taken into account. In all data fittings, one parameter each is determined to assess the estimated number of unreported cases.
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.
Advanced Auditing of Inconsistencies in Declarative Process Models using Clustering Algorithms
(2021)
Um einen konformen Geschäftsprozess einer Organisation zu haben, ist es unerlässlich, eine konsistente Entscheidungsprozess sicherzustellen. Das Maß für die Überprüfung, ob ein Prozess konsistent ist oder nicht, hängt von den Geschäftsregeln eines Prozesses ab. Wenn der Prozess diesen Geschäftsregeln entspricht, ist der Prozess konform und effizient. Für große Prozesse ist dies eine ziemliche Herausforderung. Eine Inkonsistenz in einem Prozess kann sehr schnell zu einem nicht funktionierenden Prozess führen. Diese Arbeit präsentiert einen neuartigen Auditing-Ansatz für den Umgang mit Inkonsistenzen aus einer Post-Execution-Perspektive. Das Tool identifiziert die Laufzeitinkonsistenzen und visualisiert diese in Heatmaps. Diese Diagramme sollen Modellierern dabei helfen, die problematischsten Einschränkungen zu beobachten und die richtigen Umbauentscheidungen zu treffen. Die mit vielen Variablen unterstützten Modellierer können im Tool so eingestellt werden, dass eine andere Darstellung von Heatmaps angezeigt wird, die dabei hilft, alle Perspektiven des Problems zu erfassen. Die Heatmap sortiert und zeigt die Inkonsistenzmuster zur Laufzeit, sodass der Modellierer entscheiden kann, welche Einschränkungen sehr problematisch sind und eine Neumodellierung angehen sollten. Das Tool kann in angemessener Laufzeit auf reale Datensätze angewendet werden.
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