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Mathematical models of species dispersal and the resilience of metapopulations against habitat loss
(2021)
Habitat loss and fragmentation due to climate and land-use change are among the biggest threats to biodiversity, as the survival of species relies on suitable habitat area and the possibility to disperse between different patches of habitat. To predict and mitigate the effects of habitat loss, a better understanding of species dispersal is needed. Graph theory provides powerful tools to model metapopulations in changing landscapes with the help of habitat networks, where nodes represent habitat patches and links indicate the possible dispersal pathways between patches.
This thesis adapts tools from graph theory and optimisation to study species dispersal on habitat networks as well as the structure of habitat networks and the effects of habitat loss. In chapter 1, I will give an introduction to the thesis and the different topics presented in this thesis. Chapter 2 will then give a brief summary of tools used in the thesis.
In chapter 3, I present our model on possible range shifts for a generic species. Based on a graph-based dispersal model for a generic aquatic invertebrate with a terrestrial life stage, we developed an optimisation model that models dispersal directed to predefined habitat patches and yields a minimum time until these patches are colonised with respect to the given landscape structure and species dispersal capabilities. We created a time-expanded network based on the original habitat network and solved a mixed integer program to obtain the minimum colonisation time. The results provide maximum possible range shifts, and can be used to estimate how fast newly formed habitat patches can be colonised. Although being specific for this simulation model, the general idea of deriving a surrogate can in principle be adapted to other simulation models.
Next, in chapter 4, I present our model to evaluate the robustness of metapopulations. Based on a variety of habitat networks and different generic species characterised by their dispersal traits and habitat demands, we modeled the permanent loss of habitat patches and subsequent metapopulation dynamics. The results show that species with short dispersal ranges and high local-extinction risks are particularly vulnerable to the loss of habitat across all types of networks. On this basis, we then investigated how well different graph-theoretic metrics of habitat networks can serve as indicators of metapopulation robustness against habitat loss. We identified the clustering coefficient of a network as the only good proxy for metapopulation robustness across all types of species, networks, and habitat loss scenarios.
Finally, in chapter 5, I utilise the results obtained in chapter 4 to identify the areas in a network that should be improved in terms of restoration to maximise the metapopulation robustness under limited resources. More specifically, we exploit our findings that a network’s clustering coefficient is a good indicator for metapopulation robustness and develop two heuristics, a Greedy algorithm and a deducted Lazy Greedy algorithm, that aim at maximising the clustering coefficient of a network. Both algorithms can be applied to any network and are not specific to habitat networks only.
In chapter 6, I will summarize the main findings of this thesis, discuss their limitations and give an outlook of future research topics.
Overall this thesis develops frameworks to study the behaviour of habitat networks and introduces mathematical tools to ecology and thus narrows the gap between mathematics and ecology. While all models in this thesis were developed with a focus on aquatic invertebrates, they can easily be adapted to other metapopulations.
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.
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.
We consider variational discretization of three different optimal control problems.
The first being a parabolic optimal control problem governed by space-time measure controls. This problem has a nice sparsity structure, which motivates our aim to achieve maximal sparsity on the discrete level. Due to the measures on the right hand side of the partial differential equation, we consider a very weak solution theory for the state equation and need an embedding into the continuous functions for the pairings to make sense. Furthermore, we employ Fenchel duality to formulate the predual problem and give results on solution theory of both the predual and the primal problem. Later on, the duality is also helpful for the derivation of algorithms, since the predual problem can be differentiated twice so that we can apply a semismooth Newton method. We then retrieve the optimal control by duality relations.
For the state discretization we use a Petrov-Galerkin method employing piecewise constant states and piecewise linear and continuous test functions in time. For the space discretization we choose piecewise linear and continuous functions. As a result the controls are composed of Dirac measures in space-time, centered at points on the discrete space-time grid. We prove that the optimal discrete states and controls converge strongly in L^q and weakly-* in Μ, respectively, to their smooth counterparts, where q ϵ (1,min{2,1+2/d}] is the spatial dimension. The variational discrete version of the state equation with the above choice of spaces yields a Crank-Nicolson time stepping scheme with half a Rannacher smoothing step.
Furthermore, we compare our approach to a full discretization of the corresponding control problem, precisely a discontinuous Galerkin method for the state discretization, where the discrete controls are piecewise constant in time and Dirac measures in space. Numerical experiments highlight the sparsity features of our discrete approach and verify the convergence results.
The second problem we analyze is a parabolic optimal control problem governed by bounded initial measure controls. Here, the cost functional consists of a tracking term corresponding to the observation of the state at final time. Instead of a regularization term for the control in the cost functional, we consider a bound on the measure norm of the initial control. As in the first problem we observe a sparsity structure, but here the control resides only in space at initial time, so we focus on the space discretization to achieve maximal sparsity of the control. Again, due to the initial measure in the partial differential equation, we rely on a very weak solution theory of the state equation.
We employ a dG(0) approximation of the state equation, i.e. we choose piecewise linear and continuous functions in space, which are piecewise constant in time for our ansatz and test space. Then, the variational discretization of the problem together with the optimality conditions induce maximal discrete sparsity of the initial control, i.e. Dirac measures in space. We present numerical experiments to illustrate our approach and investigate the sparsity structure
As third problem we choose an elliptic optimal control governed by functions of bounded variation (BV) in one space dimension. The cost functional consists of a tracking term for the state and a BV-seminorm in terms of the derivative of the control. We derive a sparsity structure for the derivative of the BV control. Additionally, we utilize the mixed formulation for the state equation.
A variational discretization approach with piecewise constant discretization of the state and piecewise linear and continuous discretization of the adjoint state yields that the derivative of the control is a sum of Dirac measures. Consequently the control is a piecewise constant function. Under a structural assumption we even get that the number of jumps of the control is finite. We prove error estimates for the variational discretization approach in combination with the mixed formulation of the state equation and confirm our findings in numerical experiments that display the convergence rate.
In summary we confirm the use of variational discretization for optimal control problems with measures that inherit a sparsity. We are able to preserve the sparsity on the discrete level without discretizing the control variable.
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.
Demografische und gesellschaftliche Wandlungsprozesse drohen die informelle Pflege als tragende Säule des Pflegesystems in Deutschland zunehmend zu erodieren. Während einerseits die Zahl an Pflegebedürftigen zukünftig ansteigen wird, nimmt andererseits die Zahl derer, die Pflegetätigkeiten übernehmen könnten ab. Zudem werden Frauen, die heute noch die Hauptlast der Pflegeverantwortung tragen, in Zukunft vermehrt erwerbstätig sein.
Vor diesem Hintergrund ergibt sich folgendes Problemfeld: Bei der Übernahme von informellen Pflegeaufgaben entsteht häufig ein Vereinbarkeitsproblem zwischen Pflege- und Erwerbstätigkeit. Pflegende reduzieren deshalb nicht selten ihre Erwerbsarbeitszeit oder geben die berufliche Tätigkeit ganz auf. Im Kontext des deutschen Sozialversicherungssystems bedeutet das, dass sich informell Pflegende erhöhten sozialen Risiken aussetzen, wenn sie ihre Erwerbs- und Verdienstpotenziale am Arbeitsmarkt nicht vollumfänglich ausschöpfen. Ferner entstehen indirekte Kosten beim Fiskus, die auf verringerte Einkommensteuer- und Sozialversicherungsbeiträge und/oder erhöhte Transferleistungen zurückzuführen sind. Diese sogenannten fiskalischen Kosten wurden im wissenschaftlichen und gesellschaftspolitischen Diskurs bisher jedoch nur unzureichend berücksichtigt.
Demnach ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, die fiskalischen Kosten aufgrund informeller Pflege im deutschen Wohlfahrtsstaat empirisch zu prognostizieren. Dazu werden zunächst die Auswirkungen einer Pflegeübernahme auf das Arbeitsangebot evaluiert und dann in ein Steuer- und Sozialversicherungsmodell überführt, um so die fiskalischen Kosten aufgrund informeller Pflege zu quantifizieren. Mithilfe eines dynamischen Populationsmodells erfolgt abschließend die empirische Prognose der fiskalischen Kosten.
Im Ergebnis zeigt sich, dass beim Fiskus erhebliche (Mehr-)kosten durch informelle Pflege in Form von entgangenen Einkommensteuer- und Sozialversicherungsbeiträgen und/oder erhöhte Transferleistungen entstehen. Darüberhinaus ist die informelle Pflegeerbringung von Frauen aus staatlicher Perspektive kostengünstiger als die von Männern.
Modellbildung zum Abbindeverhalten von PCE-verflüssigten und CA-Zement-gebundenen Feuerbetonen
(2021)
Feuerbetone werden als Auskleidung in industriellen Hochtemperaturaggregaten, wie beispielsweise in der Eisen- und Stahlindustrie, eingesetzt. Nach dem Mischen und dem Gießen eines Feuerbetons in Formen bzw. Schalungen, muss dieser abbinden und eine ausreichende Festigkeit ausbilden. Die Kinetik der Abbindevorgänge und somit auch das Erhärtungsverhalten variiert dabei stark in Abhängigkeit der Zusammensetzung, vor allem hinsichtlich des Bindemittels und der Additive, des Feuerbetons. In der Praxis der Herstellung von Feuerbetonen kommt es häufig zu Beschädigungen der hergestellten Bauteile oder Auskleidungen durch das Fließen noch nicht ausreichend abgebundener Feuerbetone bzw. die Beschädigung von Ecken und Kanten während des Ausschalens oder Bauteilen reißen durch mechanische Belastung beim Umsetzen oder beim Transport. Diese Beschädigungen basieren auf Fehleinschätzungen zum Abbindefortschritt und der korrespondierenden Festigkeitsausprägung der Feuerbetone. Diese wiederum sind auf Lücken im Stand der Technik zurück zu führen.
Für PCE-verflüssigte und CA-Zement-gebundene Korund-Feuerbetonen mit einer Al₂O₃- und Al₂O₃-SiO₂-Matrix, werden die Defizite des Stands der Technik für diese Feuerbetonklasse identifiziert: Diese liegen im Bereich der Verflüssigungswirkung und des ersten Ansteifens der Feuerbetone, der Hydratation des CA-Zements in den Feuerbetonen und der Festigkeitsausprägung der Feuerbetone. Hieraus leitet sich ein entsprechender Forschungsbedarf ab.
Am Beispiel von zwei PCE-verflüssigten (PCE mit kurzer Hauptkette und langen Seitenketten sowie PCE mit langer Hauptkette und kurzen Seitenketten) und CA-Zement-gebundenen (70 % Al₂O₃) Feuerbetonen mit einer reaktivtonerde-basierten und einer reaktivtonerde-mikrosilika-basierten Matrix werden abbindekinetische Untersuchungen durchgeführt. Anhand verschiedener abbindekinetischer Messmethoden, wie Schallgeschwindigkeit oder elektrischer Leitfähigkeit, und einigen ergänzenden Messung, wie beispielsweise das ζ-Potential, wird der Abbindeverlauf der Feuerbetone untersucht und die Defizite aus dem Stand der Technik aufgeklärt.
Im Detail wurde der Stand der Technik um folgende Erkenntnisse ergänzt:
• Verflüssigung von Feuerbetonen mit PCE-Molekülen: Es wurde festgestellt, dass die Verflüssigungswirkung und das erste Ansteifen maßgeblich durch die Struktur der Verflüssigermoleküle hervorgerufen werden.
PCE-Moleküle mit langen Seitenketten verflüssigen eher sterisch. Durch die Vermittlung von Ca²⁺ aus dem CA-Zement wird die Adsorption der PCE-Moleküle verstärkt. Freie PCE-Moleküle können auf CAH-Phasen (Hydratationsprodukte) adsorbieren und somit die Fließfähigkeit des Feuerbetons für eine gewisse Zeit aufrechterhalten.
PCE-Moleküle mit kurzen Seitenketten verflüssigen elektrosterisch. Bei Lösung von Ca²⁺ aus dem CA-Zement kommt es zu einer Ca-PCE Gel-Bildung und einer korrespondierenden Koagulation der Feuerbetonmatrix und der Feuerbeton steift zeitnah nach dem Mischen an.
• Hydratation von CA-Zement: Die Hydratation von CA-Zement in den Feuerbetonen wird wesentlich durch die Länge der Seitenketten der PCE-Moleküle bzw. der Anwesenheit von Zitronensäure beeinflusst.
In Feuerbetonen die mit PCE-Molekülen mit langen Seitenketten verflüssigt wurden, kann der CA-Zement weitestgehend frei hydratisieren. Der CAH-Phasenanteil steigt in zwei Abschnitten, getrennt von einer dormanten Phase. Die dormante Phase der CA Zementhydratation wurde auf eine Lösungshemmung der Al-O-H-Passivierungsschicht auf dem CA-Zement bei mäßigem pH-Wert (pH = 12,3) zurückgeführt.
In Feuerbetonen die mit PCE-Molekülen mit kurze Seitenketten und Zitronensäure verflüssigt werden, wird die Hydratationsreaktion durch eine Ca-Citrat-PCE-Al(OH)₄-Gelbildung stark gehemmt. Es besteht die Vermutung, dass die Bindung von Ca²⁺ in dem Gel zum einen eine sehr ausgeprägte dormante Phase (pH < 12,3), mit einer schlechten Löslichkeit der Passivierungsschicht, bewirkt und zum anderen auch die Fällung von CAH-Phasen unterdrückt.
• Festigkeitsausprägung von CA-Zement-gebundenen Feuerbetonen:
Eine Koagulation bewirkt die erste Festigkeitssteigerung der Feuerbetone auf σB < 1 MPa. Im Anschluss findet die Hauptfestigkeitssteigerung auf Grund von Austrocknung durch Hydratation und Verdunstung statt. Der weitere Teil der Festigkeitssteigerung wird durch die Reduzierung der Porosität durch expansive CA-Zementhydratation und die hohe spezifische Oberfläche sowie deren weitere Erhöhung durch die CA-Zementhydratation bewirkt.
Aus den einzelnen abbindekinetischen Effekten können, zusammen mit dem Stand der Technik und den neuen Erkenntnissen, mikrostrukturelle Abbindemodelle und Modelle zur Festigkeitsentwicklung der Feuerbetone abgeleitet werden. In Folge kann für die zwei Feuerbetone zu jedem Zeitpunkt des Abbindens eine Aussage zum Abbindefortschritt und zur Festigkeitsausprägung getätigt werden. Einige der Abbindemechanismen und festigkeitsbildenden Mechanismen können auf andere Feuerbetonzusammensetzungen übertragen werden.
Die Raytracing-Beschleunigung durch dedizierte Datenstrukturen ist schon lange ein wichtiges Thema der Computergrafik. Im Allgemeinen werden dafür zwei unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen: räumliche und richtungsbezogene Beschleunigungsstrukturen. Die vorliegende Arbeit stellt einen innovativen kombinierten Ansatz dieser beiden Bereiche vor, welcher weitere Beschleunigung der Strahlenverfolgung ermöglicht. Dazu werden moderne räumliche Datenstrukturen als Basisstrukturen verwendet und um vorberechnete gerichtete Sichtbarkeitsinformationen auf Basis von Schächten innerhalb einer originellen Struktur, dem Line Space, ergänzt.
Im Laufe der Arbeit werden neuartige Ansätze für die vorberechneten Sichtbarkeitsinformationen vorgeschlagen: ein binärer Wert, der angibt, ob ein Schacht leer oder gefüllt ist, sowie ein einzelner Vertreter, der als repräsentativer Kandidat die tatsächliche Oberfläche approximiert. Es wird gezeigt, wie der binäre Wert nachweislich in einer einfachen, aber effektiven Leerraumüberspringungs-Technik (Empty Space Skipping) genutzt wird, welche unabhängig von der tatsächlich verwendeten räumlichen Basisdatenstruktur einen Leistungsgewinn beim Raytracing von bis zu 40% ermöglicht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass diese binären Sichtbarkeitsinformationen eine schnelle Technik zur Berechnung von weichen Schatten und Umgebungsverdeckung auf der Grundlage von Blockerapproximationen ergeben. Obwohl die Ergebnisse einen gewissen Ungenauigkeitsfehler enthalten, welcher auch dargestellt und diskutiert wird, zeigt sich, dass eine weitere Traversierungsbeschleunigung von bis zu 300% gegenüber der Basisstruktur erreicht wird. Als Erweiterung zu diesem Ansatz wird die repräsentative Kandidatenvorberechnung demonstriert, welche verwendet wird, um die indirekte Lichtberechnung durch die Integration von kaum wahrnehmbaren Bildfehlern signifikant zu beschleunigen. Schließlich werden Techniken vorgeschlagen und bewertet, die auf zweistufigen Strukturen und einer Nutzungsheuristik basieren. Diese reduzieren den Speicherverbrauch und die Approximationsfehler bei Aufrechterhaltung des Geschwindigkeitsgewinns und ermöglichen zusätzlich weitere Möglichkeiten mit Objektinstanziierungen und starren Transformationen.
Alle Beschleunigungs- und Speicherwerte sowie die Näherungsfehler werden gemessen, dargestellt und diskutiert. Insgesamt zeigt sich, dass durch den Line Space eine deutliche Erhöhung der Raytracing Leistung auf Kosten eines höheren Speicherverbrauchs und möglicher Annäherungsfehler erreicht wird. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen damit die Leistungsfähigkeit des kombinierten Ansatzes und eröffnen weitere Möglichkeiten für zukünftige Arbeiten.
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.
David Hume und John Dewey
(2021)
In dieser vergleichenden Untersuchung werden die Philosophien David Humes und John Deweys gegenübergestellt. Es werden sämtliche philosophischen und wissenschaftlichen Disziplinen, denen sich beide Denker gewidmet haben, einbezogen: Anthropologie, Bewusstseinstheorie, Psychologie, Erkenntnistheorie, Ethik (Moralphilosophie), Politik, Ökonomie, Soziologie, Sozialphilosophie, Geschichtswissenschaft und Religionswissenschaft. Dabei wird thesengeleitet vorgegangen.
- Pragmatismus-These: David Hume sei Pragmatist avant la lettre gewesen.
- Begriffs-These: Begriffe (hier etwa nature und experience) seien breit genug zu fassen, um mit ihnen zielführend zu operieren.
- Quasi-System-These: Die Vielfalt der philosophischen und wissenschaftlichen Disziplinen, mit denen sich beide Denker befassten, bilde jeweils ein System, ohne als solches angelegt worden zu sein.
- Klassik-These: Es sei ergiebig, sich mit Philosophen zu beschäftigen, die bislang noch nicht oder kaum verglichen wurden, da es neben Entsprechungen, Ähnlichkeiten und Weiterentwicklungsmöglichkeiten auch Lerneffekte aus Überwindungen und Differenzen gebe.
- Instrumentalismus-These: Deweys Philosophie sei dem Streben nach Lösungen für das praktische soziale Zusammenleben dienlich.
Benannte Disziplinen werden einzeln in der folgenden Reihenfolge behandelt:
1) David Humes Gedanken
2) John Deweys Gedanken
3) Prüfung, inwieweit sich Dewey auf Hume direkt oder indirekt bezog
4) Verbindungslinien zwischen den Gedanken beider Philosophen
Diesen Untersuchungsschwerpunkten werden vorgelagert bzw. beigestellt:
- Ausführliche Begriffsarbeit, insbesondere zu den „Ismen“, welche man beiden Denkern zurechnet: Empirismus, Pragmatismus/Pragmatiszismus, Skeptizismus, Naturalismus. Der Verfasser geht dabei auch Bezüge dieser Ismen untereinander ein.
- Die Philosophie William James‘ als eventueller Verbindung zwischen Hume und Dewey
- Der Darwinismus als möglicher missing link zwischen beiden Denkern
- Die Thematik Willensfreiheit/Determinismus als Scharnierstelle zwischen theoretischer und praktischer Philosophie
Als Hauptsäulen seiner Untersuchung arbeitet der Verfasser folgende Konzeptionen heraus.
- Den „pragmatistic turn“, mit dem der Verfasser aussagt, dass Hume durch die unterschiedliche Behandlung seiner skeptischen Denkergebnisse in seinen Hauptwerken Treatise und Enquiry Pragmatist avant la lettre gewesen sei
- Die Idee des „Instrumentalismus zu einem höheren Zweck“, gemäß dem Dewey (und im Effekt auch Hume) zwar instrumentalistisch operierte (was ihm u. a. von Horkheimer vorgeworfen wurde), diesen Instrumentalismus selbst aber dem höheren Zweck der sozialen Gemeinschaft untergeordnet habe.
Als Nebenergebnisse der Arbeit (neben der systematischen Prüfung der Thesen in allen benannten Disziplinen) entstanden Reflexionen über
- Kreativität
- Kommunikation
- Kultur
- Natur
- Meliorismus, Kommunitarismus und Voluntarismus
- Die Stellung der Philosophie in Bezug zu geistes-, natur- und Sozialwissenschaften
- Rekonstruktion,
jeweils in Bezug zum Werk beider Denker.
Darüber hinaus werden die Biographien beider als „Faktor Existenz und Authentizität“ mit Blick auf die jeweilige Entsprechung zwischen Leben und Werk ausgewertet.
Die vorliegende Arbeit umfasst die Auswertung des jeweils umfangreichen Gesamtwerkes sowohl von Hume als auch von Dewey und bezieht den aktuellen Stand der Sekundärliteratur mit ein.
Die bisherige Forschungslage zu einem Vergleich zwischen den beiden Philosophen ist sehr spärlich; diese Arbeit ist in diesem Sinne innovativ im Themenbezug.
Ergebnis der Untersuchung ist, dass in nicht wenigen Teilbereichen große Entsprechungen beider Philosophien vorhanden sind. Aber auch durch Unterschiede und bislang nicht weiterverfolgte Interpretationsansätze werden mögliche Denklinien in der Bewertung beider Philosophien und in der Betrachtung des Bezugs zwischen klassischem Empirismus und dem Pragmatismus sichtbar gemacht.
In der Dissertation “Leben am und vom Rhein. Aspekte der Alltagsgeschichte in St. Goar und St. Goarshausen vom Späten Mittelalter bis zum Ende des 17. Jahrhunderts” untersucht der Autor Richard Lange die Historie “kleiner Leute” in zwei Städten am Mittelrhein.
Die Studie konzentriert sich dabei auf die Geschichte jener Berufe, die direkt vom Rhein abhängig waren, also in erster Linie auf das Zollpersonal, die Kranbediensteten sowie die Salmenfischer. Hinzu kommen einige weitere Berufszweige wie Treidler, Fährleute, Schiffsleute sowie Händler und Betreiber von Wirtshäusern.
Für all diese Gruppen wird, soweit anhand der Quellen möglich, der Alltag ihres Berufes nachgezeichnet. Auf diesem Wege wird versucht, das bunte Bild, das sich auf dem Rhein bisweilen bot, darzustellen und gleichzeitig aufzuzeigen, in welcher nicht zu unterschätzenden Weise der Rhein das ganze Leben in St. Goar und St. Goarshausen über die Jahrhunderte hinweg beeinflusste.
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.
Virtual Reality ist ein ein Bereich wachsenden Interesses, da es eine besonders intuitive Art der Benutzerinteraktion darstellt. Noch immer wird nach Lösungen zu technischen Problemstellungen gesucht, wie etwa der Latenz zwischen der Nutzereingabe und der Reaktion der Darstellung oder dem Kompromiss zwischen der visuellen Qualität und der erreichten Framerate. Dies gilt insbesondere für visuelle Effekte auf spekularen und halbtransparenten Oberflächen und in Volumen. Eine Lösung stellt das in dieser Arbeit vorgestellte verteilte Rendersystem dar, in dem die Bildsynthese in einen präzisen, aber kostenaufwändigen physikbasierten Renderthread mit niedriger Bildwiederholrate und einen schnellen Reprojektionsthread mit hoher Bildwiederholrate aufgeteilt wird, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und Interaktivität erhalten bleiben. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Reprojektionsverfahren vorgestellt, die einerseits Reflexionen und Refraktionen auf geraytracten Oberflächen und andererseits volumetrische Lichtausbreitung beim Raymarching abdecken. Das vorgestellte Setup kann in verschiedenen Gebieten zum Einsatz kommen um das VR Erlebnis zu verbessern. Im Zuge dieser Arbeit wurden drei innovative Trainingsanwendungen umgesetzt, um den Mehrwert von Virtual Reality im Bezug auf drei Stufen des Lernens zu untersuchen: Beobachtung, Interaktion und Zusammenarbeit. Für jede Stufe wurde ein interdisziplinäres Curriculum, das bislang mit traditionellen Medien unterrichtet wurde, in eine VR Umgebung übertragen, um zu untersuchen, wie gut sich virtuelle Realität als eine natürliche, flexible und effiziente Lernmethode eignet.
Rivers play an important role in the global water cycle, support biodiversity and ecological integrity. However, river flow and thermal regimes are heavily altered in dammed rivers. These impacts are being exacerbated and become more apparent in rivers fragmented by multiple dams. Recent studies mainly focused on evaluating the cumulative impact of cascade reservoirs on flow or thermal regimes, but the role of upstream reservoirs in shaping the hydrology and hydrodynamics of downstream reservoirs remains poorly understood. To improve the understanding of the hydrodynamics in cascade reservoirs, long-term observational data are used in combination with numerical modeling to investigate the changes in flow and thermal regime in three cascade reservoirs at the upper reach of the Yangtze River. The three studied reservoirs are Xiluodu (XLD), Xiangjiaba (XJB) and Three Gorges Reservoir (TGR). In addition, the effects of single reservoir operation (at seasonal/daily time scale) on hydrodynamics are examined in a large tributary of TGR. The results show that the inflow of TGR has been substantially altered by the two upstream reservoirs with a higher discharge in spring and winter and a reduced peak flow in summer. XJB had no obvious contribution to the variations in inflow of TGR. The seasonal water temperature of TGR was also widely affected by the upstream two reservoirs, i.e., an increase in winter and decrease in spring, associated with a delay in water temperature rise and fall. These effects will probably be intensified in the coming years due to the construction of new reservoirs. The study also underlines the importance of reservoir operation in shaping the hydrodynamics of TGR. The seasonal dynamics of density currents in a tributary bay of TGR are closely related to seasonal reservoir operations. In addition, high-frequency water level fluctuations and flow velocity variations were observed in response to periodic tributary bay oscillations, which are driven by the diurnal discharge variations caused by the operation of TGR. As another consequence of operation of cascade reservoirs, the changes in TGR inflow weakened spring thermal stratification and caused warming in spring, autumn and winter. In response to this change, the intrusions from TGR occurred more frequently as overflow and earlier in spring, which caused a sharp reduction in biomass and frequency of phytoplankton blooms in tributary bays of TGR. This study suggests that high-frequency bay oscillations can potentially be used as an efficient management strategy for controlling algal blooms, which can be included in future multi-objective ecological conservation strategies.
Das Web ist ein wesentlicher Bestandteil der Transformation unserer Gesellschaft in das digitale Zeitalter. Wir nutzen es zur Kommunikation, zum Einkaufen und für unsere berufliche Tätigkeit. Der größte Teil der Benutzerinteraktion im Web erfolgt über Webseiten. Daher sind die Benutzbarkeit und Zugänglichkeit von Webseiten relevante Forschungsbereiche, um das Web nützlicher zu machen. Eyetracking ist ein Werkzeug, das in beiden Bereichen hilfreich sein kann. Zum einen um Usability-Tests durchzuführen, zum anderen um die Zugänglichkeit zu verbessern. Es kann verwendet werden, um die Aufmerksamkeit der Benutzer auf Webseiten zu verstehen und Usability-Experten in ihrem Entscheidungsprozess zu unterstützen. Darüber hinaus kann Eyetracking als Eingabemethode zur Steuerung einer Webseite verwendet werden. Dies ist besonders nützlich für Menschen mit motorischen Beeinträchtigungen, die herkömmliche Eingabegeräte wie Maus und Tastatur nicht benutzen können. Allerdings werden Webseiten aufgrund von Dynamiken, d. h. wechselnden Inhalten wie animierte Menüs und Bilderkarussells, immer komplexer. Wir brauchen allgemeine Ansätze zum Verständnis der Dynamik auf Webseiten, die eine effiziente Usability-Analyse und eine angenehme Interaktion mit Eyetracking ermöglichen. Im ersten Teil dieser Arbeit berichten wir über unsere Forschung zur Verbesserung der blickbasierten Analyse von dynamischen Webseiten. Eyetracking kann verwendet werden, um die Blicke von Nutzern auf Webseiten zu erfassen. Die Blicke zeigen einem Usability-Experten, welche Teile auf der Webseite gelesen, überflogen oder übersprungen worden sind. Die Aggregation von Blicken ermöglicht einem Usability-Experten allgemeine Eindrücke über die Aufmerksamkeit der Nutzer, bevor sie sich mit dem individuellen Verhalten befasst. Dafür müssen alle Blicke entsprechend des von den Nutzern erlebten Inhalten verstanden werden. Die Benutzererfahrung wird jedoch stark von wechselnden Inhalten beeinflusst, da diese einen wesentlichen Teil des angezeigten Bildes ausmachen können. Wir grenzen unterschiedliche Zustände von Webseiten inklusive wechselnder Inhalte ab, so dass Blicke von mehreren Nutzern korrekt aggregiert werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit berichten wir über unsere Forschung zur Verbesserung der blickbasierten Interaktion mit dynamischen Webseiten. Eyetracking kann verwendet werden, um den Blick während der Nutzung zu erheben. Der Blick kann als Eingabe zur Steuerung einer Webseite interpretiert werden. Heutzutage wird die Blicksteuerung meist zur Emulation einer Maus oder Tastatur verwendet, was eine komfortable Bedienung erschwert. Es gibt wenige Webbrowser-Prototypen, die Blicke direkt zur Interaktion mit Webseiten nutzen. Diese funktionieren außerdem nicht auf dynamischen Webseiten. Wir haben eine Methode entwickelt, um Interaktionselemente wie Hyperlinks und Texteingaben effizient auf Webseiten mit wechselnden Inhalten zu extrahieren. Wir passen die Interaktion mit diesen Elementen für Eyetracking an, so dass ein Nutzer bequem und freihändig im Web surfen kann. Beide Teile dieser Arbeit schließen mit nutzerzentrierten Evaluationen unserer Methoden ab, wobei jeweils die Verbesserungen der Nutzererfahrung für Usability-Experten bzw. für Menschen mit motorischen Beeinträchtigungen untersucht werden.
Enterprise collaboration platforms are increasingly gaining importance in organisations. Integrating groupware functionality and enterprise social software (ESS), they have substantially been transforming everyday work in organisations. While traditional collaboration systems have been studied in Computer Supported Cooperative Work (CSCW) for many years, the large-scale, infrastructural and heterogeneous nature of enterprise collaboration platforms remains uncharted. Enterprise collaboration platforms are embedded into organisations’ digital workplace and come with a high degree of complexity, ambiguity, and generativity. When introduced, they are empty shells with no pre-determined purposes of use. They afford interpretive flexibility, and thus are shaping and being shaped by and in their social context. Outcomes and benefits emerge and evolve over time in an open-ended process and as the digital platform is designed through use. In order to make the most of the platform and associated continuous digital transformation, organisations have to develop the necessary competencies and capabilities.
Extant literature on enterprise collaboration platforms has proliferated and provide valuable insights on diverse topics, such as implementation strategies, adoption hurdles, or collaboration use cases, however, they tend to disregard their evolvability and related multiple time frames and settings. Thus, this research aims to identify, investigate, and theorise the ways that enterprise collaboration platforms are changing over time and space and the ways that organisations build digital transformation capabilities. To address this research aim two different case study types are conducted: i) in-depth longitudinal qualitative case study, where case narratives and visualisations capturing hard-to-summarise complexities in the enterprise collaboration platform evolution are developed and ii) multiple-case studies to capture, investigate, and compare cross-case elements that contribute to the shaping of enterprise collaboration platforms in different medium-sized and large organisations from a range of industries. Empirical data is captured and investigated through a multi-method research design (incl. focus groups, surveys, in-depth interviews, literature reviews, qualitative content analysis, descriptive statistics) with shifting units of analysis. The findings reveal unique change routes with unanticipated outcomes and transformations, context-specific change strategies to deal with multiple challenges (e.g. GDPR, works council, developments in the technological field, competing systems, integration of blue-collar workers), co-existing platform uses, and various interacting actors from the immediate setting and broader context. The interpretation draws on information infrastructure (II) as a theoretical lens and related sociotechnical concepts and perspectives (incl. inscriptions, social worlds, biography of artefacts). Iteratively, a conceptual model of the building of digital transformation capabilities is developed, integrating the insights gained from the study of enterprise collaboration platform change and developed monitoring change tools (e.g. MoBeC framework). It assists researchers and practitioners in understanding the building of digital transformation capabilities from a theoretical and practical viewpoint and organisations implement the depicted knowledge in their unique digital transformation processes.
Human population pressure increased with the population growth around the NNP and Cyamudongo with disturbance impacts on the forests isolating populations into fragments and today, Cyamudongo natural forest is located a way at a distance of at least 8.5 km horizontal distance to Nyungwe main block with a surface area estimated at 300 ha. Under Cyamudongo project implementation, there was a need to understand how the flora diversity responded to human imposed challenges and to forest restoration initiatives. Three physiognomic landscapes forest were identified and considered for three phases of vegetation survey in Cyamudongo and related to the closest area of Nyungwe main block. In this study, 15 transects were laid in each physiognomic forest landscape and 10 and 5 plots were set respectively in Cyamudongo and Gasumo study area. In total, 315 phytosociological relevés were performed and the Braun-Blanquet methods used for three times vegetation surveys. Species life-forms and chorophyte were evaluated and tree species dbh and height have been measured. Data were subjected to different statistical analyses using different softwares such as PAST, R 3.5.2, and SPSS. The mapping was done using Arc GIS and the Multi-Spectral Remote Sensing used to find NDVI for the vegetation classification.
NDVI trends showed that there has been fluctuations in vegetation classifications of the studied area. In this study, 494 vascular plant species from 106 families were harbored in the study area and distributed differently among forest landscapes and study phases. Although, 43.54% were common to Cyamudongo and Gasumo landscapes while 48.54 % of species diversity were hold only by Cyamudongo and 7.92% confined to Gasumo and 12 in total were found new records for Rwanda while several others suspected require detailed research for identification showing how the flora diversity of Cyamudongo is of special interest and extremely important for discoveries.
The finding of the study on diversity indices, the PCA, CA and the Cluster analysis, all statistical analyses (MANOVA, ANOVA) and life form spectra unanimously showed that the anthropogenic disturbance shaped the vegetation cover, the floristic composition, the species diversity, the forest landscapes community structure, the life form spectrum and the phytoclimate of Cyamudongo and Gasumo forest landscapes. Although, the vegetation analysis couldn’t clearly identify communities and sub-communities at the initial and final vegetation surveys and cluster groups were heterogeneous as well as overlapping and species associations not clearly defined due to the high level of similarities in species composition among forest landscapes and vegetation surveys. The species diversity was found high in secondary forest and Gasumo landscape forest and low in the primary forest and the buffer zone of Cyamudongo and the disturbance with gaps openings was found to be associated to the species diversity with a seasonal variation. The patterns of dbh for the buffer zone and of the size classes of all landscapes with an inverted ‘J’ indicated a healthy regeneration in the forest landscapes and tree species explained a good regeneration and recruitment capacity. Different shapes in the pattern of dbh with respectively an inverted ‘J’, ‘J ‘and ‘U’ for the buffer zone, primary and together the secondary and Gasumo forest landscapes indicated differences in the landscapes health and degree of regeneration and recruitment capacity.
Findings from differents measuements showed at which extend human activities have shaped the flora diversity and structure of forest landcapes studied. For instance, disturbances due human activities were daily oberved and trees were logged by neighboring communities such as Batwa populations at Cyamudongo and local populations at Gasumo. Some species were evenly observed targeted for their barks such as Ocotea usambarensis, Parinari excelsa for medicines and many others for their wood quality, fire wood collection and for agricultural purposes.
In the period of Cyamudongo project implementation, important achievements included the increase of forest biomass and therefore the photosynthetic capacity and the evapotranspiration potential that influence the rainfall regime; the regulation of weather conditions and then species diversity; supporting local communities and limiting human activities; raising awareness on conservation and protection of biodiversity and improving of living conditions of neighboring populations by providing paid employment and so to restore to the Cyamudongo forest ecosystem functions. Moreover, Cyamudongo forest remains vulnerable as surrounded by local communities with a high population pressure relying on forest resources for its survival. Cyamudongo harbors a high level of endemism and is a small hotspot for biodiversity conservation. It is therefore recommended to strengthen conservation and protection measures and continue the support of local communities.
The protected areas of Rwanda are facing various challenges resulting from the anthropogenic activities of the surrounding communities especially in the adjacent area to Cyamudongo isolated rain forest, which results in climate change, soil degradation, and loss of biodiversity. Therefore, this study aims to broaden current knowledge on the impact of sustainable Agroforestry (AF) on the Carbon (C) stock and Biodiversity conservation on the surroundings of Cyamudongo isolated rain forest and Ruhande Arboretum.
To understand this, the permanent sample plots (PSPs) were established mainly in the designed four transects of four km long originating on the boundary of the Cyamudongo isolated rain forest following the slope gradient ranging from 1286 to 2015 m asl. A total number of 73 PSPs were established in the Cyamudongo study area while 3 PSPs were established in the Ruhande AF plot. The Arc Map GIS 10.4 was used to design and map the sampling areas while GPS was used for localization of collected items. Statistical significance was analyzed through the R-software especially for wood and soil variables while for biodiversity indicator species, MVSP Software 3.0 was used to determine the Shannon Diversity indices and similarities among species.
In this study, I have obtained comprehensive results demonstrating that in all study areas, the various AF tree species contribute differently to C stock and C sequestration and the amount of C stored and removed from the atmosphere depends on different factors such as tree species, plantation density, growth stage, or the age of establishment, applied management practices, wood specific density (WSD), wood C concentration, and climatic conditions. The estimated quantity of sequestrated C for 2 years and 34 years AF species were 13.11 t C ha -1 yr-1 (equivalent to 48 t CO2 ha -1 yr-1) and 6.85 t ha-1 yr-1 (equivalent to 25.1 t CO2 ha -1 yr-1) in Cyamudongo and Ruhande respectively. The estimated quantity of C stored by the Ruhande AF plot is 232.94 t ha-1. In Cyamudongo, the overall C stored by the AF systems was 823 t ha-1 by both young tree species established by the Cyamudongo Project (35.84 t ha-1) and C stored by existed AF species before the existence of the Project (787.12 t ha-1). In all study areas, the Grevillea robusta was found to contribute more to overall stored C compared to other species under this study.
The tests revealed differences in terms of nutrient contents (C, N, C: N ratio, K, Na, Ca, and Mg) for various AF tree species of Cyamudongo and Ruhande study areas. The differences in terms of correlation for various variables of AF tree species in different study areas varied with tree species, age, stage of growth, and tree shape. By comparing the correlation coefficients for various tree variables for young and mature AF tree species, the results showed a high correlation variability for young species than mature or old species recorded in different environmental conditions of Cyamudongo and Ruhande study areas.
The recorded soil pH mean value across in Cyamudongo study area is 4.2, which is very strongly acidic. The tests revealed that the soil pH, C, C: N ratio, OM, NH4+, NO3-+NO2-, PO43-, and CEC were significantly (P < 0.05) different in various soil depths whereas the N was not statistically significant. The pH, N, C: N ratio, CEC, NH4+, PO43-, and Al3+ showed a significant difference across land uses whereas the C and NO3-+NO2- did not show any statistical difference. All tested chemical elements showed a statistical difference as far as altitude ranges are concerned. The only NH4+, PO43-, and CEC showed significant differences with time whereas all other remaining chemical elements did not show any statistical significance. The bulk density of soil was statistically different across land uses and altitude ranges. The soil pH was very strongly correlated with CEC, Mg, and Ca in cropland (CL) whereas it was strongly correlated in both AF and natural forest (NF) except for Mg, which was moderately correlated in AF. Furthermore, its correlation with K was strong in CL, moderate in AF while it was weak in NF. Finally, the pH correlation with Na was weak in both AF and CL whereas it was negligible in NF. The overall estimated soil C stock of the study area was 16848 t ha -1.
The sustainable AF practices changed significantly the frequency of reptiles, amphibians, and flowering plants while there was no statistical change observed on ferns with time. In terms of species richness, 16 flowering plants, 14 ferns, 5 amphibians, and 3 reptiles were recorded and monitored. These findings add to a growing body of literature on the impact of AF on the C stock, soil improvement, and Biodiversity. It is recommended that further researches should be undertaken for the contribution of other AF tree species to the C stock found in the agricultural landscape around all protected areas of Rwanda and the impact on them on the soil and biodiversity.
Despite the significant presence of neuroactive substances in the environment, bioassays that allow to detect diverse groups of neuroactive mechanisms of action are not well developed and not properly integrated into environmental monitoring and chemical regulation. Therefore, there is a need to develop testing methods which are amenable for fast and high-throughput neurotoxicity testing. The overall goal of this thesis work is to develop a test method for the toxicological characterization and screening of neuroactive substances and their mixtures which could be used for prospective and diagnostic hazard assessment.
In this thesis, the behavior of zebrafish embryos was explored as a promising tool to distinguish between different neuroactive mechanisms of action. Recently, new behavioral tests have been developed including photomotor response (PMR), locomotor response (LMR) and spontaneous tail coiling (STC) tests. However, the experimental parameters of these tests lack consistency in protocols such as exposure time, imaging time, age of exposure, endpoint parameter etc. To understand how experimental parameters may influence the toxicological interpretation of behavior tests, a systematic review of existing behavioral assays was conducted in Chapter 2. Results show that exposure concentration and exposure duration highly influenced the comparability between different test methods and the spontaneous tail coiling (STC) test was selected for further testing based on its relative higher sensitivity and capacity to detect neuroactive substances (Chapter 2).
STC is the first observable motor activity generated by the developing neural network of the embryo which is assumed to occur as a result of the innervation of the muscle by the primary motor neurons. Therefore, STC could be a useful endpoint to detect effect on the muscle innervation and also the on the whole nervous system. Consequently, important parameters of the STC test were optimized and an automated workflow to evaluate the STC with the open access software KNIME® was developed (Chapter 3).
To appropriately interpret the observed effect of a single chemical and especially mixture effects, requires the understanding of toxicokinetics and biotransformation. Most importantly, the biotransformation capacity of zebrafish embryos might be limited and this could be a challenge for assessment of chemicals such as organophosphates which require a bioactivation step to effectively inhibit the acetylcholinesterase (AChE) enzyme. Therefore, the influence of the potential limited biotransformation on the toxicity pathway of a typical organophosphate, chlorpyrifos, was investigated in Chapter 5. Chlorpyrifos could not inhibit AChE and this was attributed to possible lack of biotransformation in 24 hpf embryos (Chapter 5).
Since neuroactive substances occur in the environment as mixtures, it is therefore more realistic to assess their combined effect rather than individually. Therefore, mixture toxicity was predicted using the concentration addition and independent action models. Result shows that mixtures of neuroactive substances with different mechanisms of action but similar effects can be predicted with concentration addition and independent action (Chapter 4). Apart
from being able to predict the combined effect of neuroactive substances for prospective risk assessment, it is also important to assess in retrospect the combined neurotoxic effect of environmental samples since neuroactive substances are the largest group of chemicals occurring in the environment. In Chapter 6, the STC test was found to be capable of detecting neurotoxic effects of a wastewater effluent sample. Hence, the STC test is proposed as an effect based tool for monitoring environmental acute and neurotoxic effects.
Overall, this thesis shows the utility and versatility of zebrafish embryo behavior testing for screening neuroactive substances and this allows to propose its use for prospective and diagnostic hazard assessment. This will enhance the move away from expensive and demanding animal testing. The information contained in this thesis is of great potential to provide precautionary solutions, not only for the exposure of humans to neuroactive chemicals but for the environment at large.
Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik mittels quantitativer ¹H-NMR Spektroskopie
(2021)
Plastik und damit einhergehend auch Mikroplastik (MP) ist mittlerweile global präsent und stellt ein zunehmend signifikantes Problem für die Umwelt dar. Um die Verbreitung und Aus¬wirkung von MP im Ansatz zu verstehen, ist es wichtig, MP über einen weitreichenden Größenbereich zu identifizieren und zu quantifizieren sowie eine Vergleichbarkeit von Studien zu gewährleisten. Jedoch besteht noch großer Forschungsbedarf auf dem Gebiet der größenunabhängigen, quantitativen Analyse von MP in Umweltproben, besonders im Hinblick auf die massenbasierte MP-Konzentrationsangabe. Daher wird in dieser Dissertation die quantitative ¹H-NMR Spektroskopie (qNMR) als eine alternative Methode für die MP-Analyse etabliert. Bei der qNMR-Methode handelt es sich um eine schnelle, größenunabhängige, massenbasierte Methode, welche als alternative MP-Analytik angewendet werden kann und Potential zur Routineanalytik aufweist. Am Beispiel von LDPE, PET und PS erfolgte der Konzeptnachweis (Kapitel 2). Zusätzlich wurden PVC, PA und ABS Partikel getestet, um die wichtigsten Polymertypen für die MP-Analyse abzudecken (Kapitel 3). Am Beispiel von PET, PVC und PS wurde überprüft, ob die qNMR-Methode auch auf die kosteneffektivere NoD-Methode übertragbar ist (Kapitel 4). Die Ergebnisse der Validierung beider Methoden (1D und NoD) zeigen, dass die Quantifizierung von MP-Partikeln mittels qNMR nicht nur prinzipiell möglich ist, sondern auch eine hohe Richtigkeit (88.0 - 110 %) aufweist und die Nachweisgrenzen (1 - 84 µg) im umweltrelevanten Bereich liegen. Weiterhin wurde überprüft, ob sich nicht nur Hochfeld-Geräte für die MP-Analyse eignen, sondern auch niedrigauflösende Benchtop-Geräte, welche in Anschaffung und Unterhalt wesentlich kosteneffektiver sind. Durch Erhöhung der Messzeit von auf ca. 30 min für PET und PS und auf ca. 140 min für PVC konnte die geringere Messfrequenz ausgeglichen werden (Kapitel 4). Um die Frage möglicher Matrixeffekte von Umweltproben zu behandeln, wurden darüber hinaus eben solche Matrixeffekte sowie Wiederfindungsraten von PET-Fasern bei Anwendung einer speziell für die qNMR-Methode optimierten Probenvorbereitung in Gegenwart von Modellmatrices bestimmt (Kapitel 5). Es konnte gezeigt werden, dass die Umweltmatrices die quantitative Analyse nicht stören und die speziell für die qNMR Analytik entwickelte Probenvorbereitung, mit Wiederfindungsraten von > 80% für die unterschiedlichen Umweltmatrices, angewendet werden kann (Kapitel 5). Über erste orientierende Untersuchungen zur simultanen Bestimmung mehrerer Polymerarten in einer Probe wird abschließend berichtet (Kapitel 6).