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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.
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.
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.
Viele chemische Verbindungen, einschließlich Spurenelemente aus natürlichen und anthropogenen Quellen, verbleiben temporär oder endgültig in den Sedimenten der Oberflächengewässer. Ob diese als Quelle oder Senke von Metallen und Metalloiden (Metall(oid)e) fungieren, hängt von der Dynamik der biogeochemischen Prozesse ab, die an der Wasser-Sediment-Grenzschicht (sediment water interface - SWI) ablaufen. Wichtige Informationen zu biogeochemischen Prozessen sowie zur Exposition, zum Verbleib und zum Transport von Schadstoffen an der SWI lassen sich durch die Ermittlung von Konzentrationsprofilen im Sedimentporenwasser gewinnen. Dabei besteht die Herausforderung zum einen darin eine räumliche Auflösung zu realisieren, die es erlaubt, bestehende Gradienten adäquat zu erfassen und zu gleich hinreichend viele Parameter aufzunehmen, um die komplexen Prozesse zu verstehen. Zum anderen gilt es die Bildung von Probenahme-Artefakten zu verhindern, die durch die labile Natur der SWI sowie die steilen biogeochemischen Gradienten verursacht werden.
Vor diesem Hintergrund wurde im ersten Teil dieser Arbeit ein System zur automatisierten, minimal-invasiven Untersuchung der SWI entwickelt und erprobt. Das System ermöglicht die Beprobung des Sedimentporenwassers ungestörter oder manipulierter Sedimente bei gleichzeitiger Erfassung von Parametern wie Redoxpotential, Sauerstoffgehalt und pH-Wert. Im Rahmen eines Inkubationsexperimentes wurde der Einfluss von Versauerung und mechanischer Störung (Resuspension) auf die Mobilität von 13 Metall(oid)en untersucht, die mittels Tripel-Quadrupol induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-QQQ-MS) quantifiziert wurden. Während die meisten Metalle in Folge von Sulfid-Verwitterung freigesetzt wurden hatte die mechanische Störung einen großen Einfluss auf die Mobilität der oxidbildenden Elemente As, Mo, Sb, U und V. Zusätzlich wurde gezeigt, dass das Probenahme-System zudem Optionen zur Untersuchung der Größenfraktionierung von Metall(oid)en sowie der Speziierung von As(III/V) und Sb(III/V) bietet.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Fokus - mit einem ähnlichen experimentellen Design - auf die Prozesse gelegt, die zur Freisetzung von Metall(oid)en führen. Zu diesem Zweck wurden zwei Inkubationsexperimente mit unterschiedlicher Sauerstoffversorgung parallel durchgeführt. Erstmals wurden mittels ICP-QQQ-MS die Nichtmetalle Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel in einem Analyselauf gemeinsam mit 13 Metall(oid)en in Sedimentporenwasser quantifiziert. Die Größenfraktionierung der Metall(oid)e wurde über den gesamten Verlauf der Experimente überwacht. Es bestätigte sich, dass Sediment-Resuspension die Mobilität von Metalloiden wie As, Sb und V fördert, während die Freisetzung der meisten Metalle weitgehend auf die Verwitterung von Pyrit zurückzuführen war. Der kolloidale Beitrag (0,45 - 16 μm) zur Mobilisierung war nur für wenige Elemente relevant.
Schließlich wurde das Probenahmesystem im Rahmen eines neuen Ansatzes zur Sedimentbewertung eingesetzt. Dabei wurden ungestörte Sedimentkerne unterschiedlich kontaminierter Positionen im Trave-Ästuar untersucht und neben 16 Metall(oid)en, die Nichtmetalle C, P und S sowie die Ionen NH4+, PO43- und SO42- berücksichtigt. Durch den ersten umfangreichen Vergleich mit in-situ Dialyse-basierter Porenwasserbeprobung wurde die Eignung des entwickelten Ansatzes zur Erfassung der Feldbedingungen nachgewiesen. Die Porenwasseruntersuchungen zusammen mit ergänzenden Resuspensionsexperimenten in biogeochemischen Mikrokosmen und sequentieller Extraktion ergaben, dass das am geringsten „belastetste“ Sediment des Untersuchungsgebiets das größte Risiko für die Freisetzung von Metall(oid)en darstellt. Jedoch betrugen die potenziell freigesetzten Mengen je kg Sediment nur wenige Promille der durchschnittlichen täglichen Fracht der Trave.
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.
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.
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.
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.
Successful export sectors in manufacturing and agribusiness are important drivers of structural transformation in Sub-Sahara African countries. Backed by industrial policies and active state involvement, a small number of successful productive export sectors has emerged in Sub-Saharan Africa. This thesis asks the question: How do politics shape the promotion of export-driven industrialisation and firm-level upgrading in Sub-Saharan Africa? It exemplifies this question with an in-depth, qualitative study of the cashew processing industry in Mozambique in the period from 1991 until 2019. Mozambique used to be one of the world’s largest producers and processors of cashew nuts in the 1960s and 1970s. At the end of the 20th century, the cashew processing industry broke down completely but has re-emerged as one of the country’s few successful agro-processing exports.
The thesis draws on theoretical approaches from the fields of political science, notably the political settlements framework, global value chain analysis and the research on technological capabilities to explore why the Mozambican Government supported the cashew processing industry and how Mozambican cashew processors acquired the technological capabilities needed to access the global cashew value chain and to upgrade. It makes an important theoretical contribution by linking the political settlements framework and the literature on upgrading in global value chains to study how politics shaped productive sector promotion and upgrading in the Mozambican cashew processing industry. The findings of the thesis are based on extensive primary data, including 58 expert interviews and 10 firm surveys, that was collected in Mozambique in 2018 as well as a broad base of secondary literature.
The thesis argues that the Mozambican Government supported the cashew processing industry because it became important for the Government’s political survival. Promoting the cashew sector formed part of an electoral strategy for the ruling FRELIMO coalition and a means to keep FRELIMO factions united by offering economic opportunities to key constituencies. In 1999, it adopted a protectionist cashew law that created strong incentives for cashew processing in Mozambique. This not only facilitated the re-emergence of the cashew processing industry after its breakdown. The law and the active involvement of the National Cashew Institute (INCAJU) also affected the governance of the local cashew value chain, the creation of backward linkages, and the upgrading paths of cashew processors. The findings of the thesis suggest that the cashew law reduced the pressure on the cashew processing industry to upgrade. The law further created opportunities for formal and informal rent creation for members of the political elite and lower level FRELIMO officials that prevented a far-reaching reform of the law. The thesis shows that international buyers do not promote upgrading among Sub-Sahara African firms in global value chains with market-based or modular governance. Moreover, firms that operate in countries where industrial policies are not enforced effectively cannot draw on the support of government institutions to enhance their capabilities and to upgrade. Firms therefore mainly depended on costly learning channels at firm level, e.g. learning by doing or hiring skilled labour, and/or on technical assistance from donors to build the technological capabilities needed to access global value chains and to remain competitive.
The findings of the thesis suggest that researchers, governments, development practitioners and consultants need to rethink their understanding of upgrading in GVCs in four ways. First, they need to move away from understanding upgrading in terms of moving towards more complex, higher value-added activities in GVCs (functional upgrading). Instead, it is important to consider the potential of other, more realistic types of upgrading for firms in low-income countries, such reducing risks by diversifying suppliers and buyers or increasing rewards by making production processes more efficient. Second, they need to replace an overly positive view on upgrading that neglects possible side-effects at sector and/or country level. Third, GVC participation on its own does not promote upgrading among local supplier firms in Sub-Saharan Africa. The interests of lead firms and Sub-Sahara African supplier firms may not be aligned or even conflicting. Targeted industrial policies and the creation of institutions that effectively promote capability building among firms therefore become even more important. Finally, upgrading needs to be understood as a process that is not only shaped by interactions between firms, but also by local domestic politics.
The findings of the thesis are highly relevant for scholars from the fields of political science, development studies, and economics. Its practical implications and tools, e.g. a technological capabilities matrix for the cashew industry, are of interest for development practitioners, members of public institutions in Sub-Sahara African countries, local entrepreneurs, and representatives of local business associations that are involved in promoting export sectors and upgrading among local firms.
Water is used in a way as if it were available infinitely. Droughts, increased rainfall or flooding already lead to water shortages and, thus, deprive entire population groups of the basis of their livelihoods. There is a growing fear that conflicts over water will increase, especially in arid climate zones, because life without water - whether for humans, animals or plants - is not possible.
More than 60 % of the African population depend on land and water resources for their livelihoods through pastoralism, fishing and farming. The water levels of rivers and lakes are decreasing. Hence, the rural population which is dependent on land and water move towards water-rich and humid areas. This internal migration increases the pressure on available water resources. Driven by the desire to strengthen the economic development, African governments align their political agendas with the promotion of macro international and national economic projects.
This doctoral thesis examines the complex interrelationships between water shortages, governance, vulnerability, adaptive capacity and violent and non-violent conflicts at Lake Naivasha in Kenya and Lake Wamala in Uganda. In order to satisfy the overall complexity, this doctoral thesis combines various theoretical and empirical aspects in which a variety of methods are applied to different geographical regions, across disciplines, and cultural and political boundaries.
The investigation reveals that Lake Naivasha is more affected by violent conflicts than Lake Wamala. Reasons for this include population growth, historically grown ethnic conflicts, corruption and the preferential treatment of national and international economic actors. The most common conflict response tools are raiding and the blockage of water access. However, deathly encounters, destruction of property and cattle slaughtering are increasingly used to gain access to water and land.
The insufficient implementation of the political system and the governments’ prioritization to foster economic development results, on the one hand, in the commercialization of water resources and increases, on the other hand, non-violent conflict between national and sub-national political actors. While corruption, economic favours and patronage defuse this conflict, resource access becomes more difficult for the local population. Resulting thereof, a final hypothesis is developed which states that the localization of the political conflict aggravates the water situation for the local population and, thereby, favours violent conflicts over water access and water use in water-rich areas.
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.
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.
Method development for the quantification of pharmaceuticals in aqueous environmental matrices
(2021)
Als Folge des Weltbevölkerungswachstums und des daraus resultierenden Wassermangels ist das Thema Wasserqualität zunehmend im Fokus der Öffentlichkeit. In diesem Kontext stellen anthropogene organische Stoffe - oft als Mikroschadstoffe bezeichnet - eine Bedrohung für die Wasserressourcen dar. Besonders Pharmazeutika werden aufgrund ihrer permanenten Einleitung, ihres steigenden Verbrauchs und ihrer wirkungsbasierten Strukturen mit besonderer Besorgnis diskutiert. Pharmazeutika werden hauptsächlich über Kläranlagen in die Umwelt eingeleitet, zusammen mit ihren Metaboliten und den vor Ort gebildeten Transformationsprodukten (TPs). Wenn sie die aquatische Umwelt erreichen, verteilen sie sich zwischen den verschiedenen Umweltkompartimenten, insbesondere der Wasserphase, Schwebstoffen (SPM) und Biota. In den letzten Jahrzehnten wurden Pharmazeutika in der Wasserphase umfassend untersucht. Allerdings wurden extrem polare Pharmazeutika aufgrund des Mangels an robusten Analysemethoden nur selten überwacht. Zudem wurden Metaboliten und TPs selten in Routineanalysemethoden einbezogen, obwohl ihre Umweltrelevanz nachgewiesen ist. Darüber hinaus wurden Pharmazeutika nur sporadisch in SPM und Biota untersucht und es fehlen adäquate Multi-Analyt-Methoden, um umfassende Ergebnisse über ihr Vorkommen in diesen Matrices zu erhalten. Die vorliegende Arbeit wird, diese Wissenslücken durch die Entwicklung generischer Multi-Analyt-Methoden zur Bestimmung von Pharmazeutika in der Wasserphase, SPM und Biota geschlossen und das Vorkommen und die Verteilung von Pharmazeutika in diesen Kompartimenten bewertet. Für einen vollständigen Überblick wurde ein besonderer Schwerpunkt auf polare Pharmazeutika, pharmazeutische Metaboliten und TPs gelegt. Insgesamt wurden drei innovative Multi-Analyt-Methoden entwickelt, deren Analyten ein breites Spektrum an physikalisch-chemischen Eigenschaften abdecken. Zuerst wurde eine zuverlässige Multi-Analyt-Methode entwickelt um extrem polare Pharmazeutika, deren Metaboliten und TPs in wässrigen Umweltproben zu untersuchen. Die ausgewählten Analyten deckten einen signifikanten Bereich erhöhter Polarität ab und die Methode ist leicht um weitere Analyten erweiterbar. Diese Vielseitigkeit konnte durch die Verwendung der Gefriertrocknung als Probenvorbereitung und der zwitterionischen Hydrophile Interaktionschromatographie (HILIC) im Gradientenelutionsmodus erreicht werden. Die Eignung der HILIC-Chromatographie zur gleichzeitigen Quantifizierung einer großen Bandbreite von Mikroschadstoffe in wässrigen Umweltproben wurde gründlich untersucht. Es wurde auf mehrere Einschränkungen hingewiesen: eine sehr komplexe und zeitaufwändige Methodenentwicklung, eine sehr hohe Empfindlichkeit hinsichtlich der Änderung des Acetonitril-Wasser-Verhältnisses im Eluenten oder im Verdünnungsmittel und hohe positive Matrixeffekte für bestimmte Analyten. Diese Einschränkungen können jedoch durch die Verwendung eines präzisen Protokolls und entsprechend markierter interner Standards überwunden werden und werden durch die Vorteile von HILIC, die die chromatographische Trennung von extrem polaren Mikroverunreinigungen ermöglicht, überkompensiert. Die Untersuchung von Umweltproben zeigte erhöhte Konzentrationen der Analyten in der Wasserphase. Insbesondere Gabapentin, Metformin, Guanylharnstoff und Oxypurinol wurden bei Konzentrationen im µg/LBereich im Oberflächenwasser gemessen. Für die Bestimmung von 57 Pharmazeutika und 47 Metaboliten und TPs, die an SPM sorbiert sind, wurde anschließend eine verlässliche Multi-Analyt-Methode etabliert, die eine Quantifizierung bis in den niedrigen ng/g-Bereich erlaubt. Diese Methode wurde konzipiert, um einen großen Polaritätsbereich abzudecken, insbesondere unter Einbeziehung extrem polarer Pharmazeutika. Das Extraktionsverfahren basierte auf einer Druckflüssigkeitsextraktion (PLE), gefolgt von einer Reinigung durch Lösungsmittelaustausch und Detektion durch direkte Injektion-Umkehrphasen-LCMS/MS und Gefriertrocknung-HILIC-MS/MS. Das Sorptionspotential der Pharmazeutika wurde anhand von Laborexperimenten untersucht. Abgeleitete Verteilungskoeffizienten Kd variierten um fünf Größenordnungen unter den Analyten und bestätigten ein hohes Sorptionspotential für positiv geladene und unpolare Pharmazeutika. Das Vorkommen von Pharmazeutika in SPM deutscher Flüsse wurde durch die Untersuchung jährlicher Mischproben bewertet, die zwischen 2005 und 2015 an vier Standorten am Rhein und einem Standort an der Saar entnommen wurden. Dabei zeigte sich das ubiquitäre Vorkommen von an SPM sorbierten Pharmazeutika in diesen Flüssen. Insbesondere positiv geladene Analyten, auch sehr polare und unpolare Pharmazeutika zeigten nennenswerte Konzentrationen. Für viele Pharmazeutika wurde eine deutliche Korrelation zwischen den jährlich in Deutschland konsumierten Mengen und den in SPM gemessenen Konzentrationen festgestellt. Untersuchungen der zusammengesetzten räumlichen Verteilung von SPM erlaubten es, durch den Vergleich der Verschmutzungsmuster entlang des Flusses Hinweise auf spezifische industrielle Einleitungen zu erhalten. Diese Ergebnisse zeigten zum ersten Mal das Potential von SPM für die Überwachung von positiv geladenen und unpolaren Pharmazeutika in Oberflächengewässern. Für Pharmazeutika mit erhöhter Sorptionsaffinität (Kd uber 500 L/kg) erlauben SPM-Analysen sogar die Überwachung niedrigerer Emissionen. Schließlich wurde eine zuverlässige und generische Multi-Analyt-Methode zur Untersuchung von 35 Pharmazeutika und 28 Metaboliten und TPs in Fischplasma, Fischleber und Fischfilet entwickelt. Für diese Matrix war es eine große Herausforderung eine adäquate Aufreinigung zu entwickeln, die eine ausreichende Trennung der störenden Matrix von den Analyten ermöglicht. Bei der endgültigen Methode wurde die Extraktion von Fischgewebe durch Zellaufschluss durchgeführt, gefolgt von einem nicht diskriminierenden Clean-up auf der Basis von Kieselgel-Festphasenextraktion (SPE) und Materialien mit eingeschränkter Zugänglichkeit (RAM). Die Anwendung der entwickelten Methode auf die Messung von Brassen- und Karpfengeweben aus deutschen Flüssen zeigte, dass selbst polare Mikroverunreinigungen wie z.B. Pharmazeutika in Fischgeweben ubiquitär vorhanden sind. Insgesamt wurden 17 Analyten zum ersten Mal in Fischgewebe nachgewiesen, darunter 10 Metaboliten/TPs. Die Bedeutung der Überwachung von Metaboliten und TPs in Fischgeweben wurde durch deren Nachweis in ähnlichen Konzentrationen wie bei ihren Ausgangsstoffe bestätigt. Es zeigte sich, dass Leber und Filet für die Überwachung von Pharmazeutika in Fischen geeignet ¨ sind, während Plasma aufgrund sehr niedriger Konzentrationen und erschwerter Probenahme ungeeignet ist. Erhöhte Konzentrationen bestimmter Metaboliten deuten auf eine mögliche Bildung menschlicher Metaboliten in Fischen hin. Die gemessenen Konzentrationen weisen jedoch auf ein geringes Bioakkumulationspotential für Pharmazeutika in Fischgeweben hin.
Echzeitbetriebssysteme für Systeme mit gemischten Kritikalitäten müssen unterschiedliche Arten von Software, wie z.B. Echtzeitanwendungen und Allzweckanwendungen, gleichzeitig unterstützen. Dabei müssen sie eine solide räumliche und zeitliche Isolation zwischen unabhängigen Softwarekomponenten bieten. Daher fokussieren sich aktuelle Echtzeitbetriebssysteme hauptsächlich auf Vorhersagbarkeit und ein berechenbares Worst-Case-Verhalten.
Allerdings bieten Allzweck-Betriebssysteme wie Linux häufig effizientere, aber weniger deterministische Mechanismen, welche die durchschnittliche Ausführungszeit signifikant erhöhen. Diese Thesis befasst sich mit der Kombination der beiden gegensätzlichen Anforderungen und zeigt Mechanismen zur Thread-Synchronisation mit einem effizienten Durchschnittsverhalten, ohne jedoch die Vorhersagbarkeit und das Worst-Case-Verhalten zu beeinträchtigen. Diese Thesis untersucht und bewertet den Entwurfsraum von Abkürzungen (engl. fast paths) bei der Umsetzung von typischen blockierenden Synchronisationsmechanismen wie Mutexen, Bedingungsvariablen, Zähl-Semaphoren, Barrieren oder Nachrichtenwarteschlangen. Der Ansatz ist dabei, unnötige Systemaufrufe zu vermeiden. Systemaufrufe haben im Vergleich zu anderen Prozessoroperationen, die im Benutzermodus verfügbar sind, wie z.B. atomaren Operationen, höhere Kosten. Insbesondere erforscht die Thesis Futexe, ein aktuelles Design für blockierende Synchronisationsmechanismen in Linux, welches den konkurrenzfreien Fall der Synchronisierung mithilfe atomarer Operationen im Benutzermodus löst und den Kern nur aufruft, um Threads zu suspendieren und aufzuwecken. Die Thesis untersucht auch nicht-unterbrechbare Monitore mit aktivem Warten. Dort wird ein effizienter Mechanismus mit Prioritätsschranken verwendet, um das sogenannte Lock-Holder-Preemption-Problem ohne Systemaufrufe zu vermeiden. Ebenfalls werden passende niedere Kernprimitive beschrieben, die effiziente Warte- und Benachrichtigungsoperationen ermöglichen. Die Evaluation zeigt, dass die vorgestellten Ansätze die durchschnittliche Leistung vergleichbar zu aktuellen Ansätzen in Linux verbessern. Gleichzeitig zeigt eine Analyse des Worst-Case Zeitverhaltens, dass die Ansätze nur konstante oder begrenzte zeitliche Mehraufwände auf der Ebene des Betriebssystemkerns benötigen. Die Nutzung dieser Abkürzungen ist ein lohnender Ansatz für den Entwurf von Systemen, die nicht nur Echtzeitanforderungen erfüllen, sondern auch Allzweckanwendungen gut unterstützen sollen.
Schizophrenia is a chronic mental health disorder, which changes rapidly the life of the persons and their families, who suffer from it. It causes high biological and psychological vulnerability as well as cognitive, emotional and behavioral disorders. Nowadays, evidence-based pharmacotherapy and psychotherapy are available aiming the rehabilitation and recovery of individuals with schizophrenia. A democratic society is obliged to give these people the opportunity to have an access to those treatments.
The following three published studies present this dissertation thesis and have a common focus on the implementation of evidence-based psychotherapy in individuals with schizophrenia.
The first study evaluates the efficacy of the Integrated Psychological Therapy (IPT) in Greece, one of the most evaluated rehabilitation programs. IPT was compared to
Treatment as Usual (TAU) in a randomized controlled trial (RCT) with 48 individuals with schizophrenia. Significant effects favouring IPT were found in working memory,
in social perception, in negative symptoms, in general psychopathology and in insight. This study supports evidence for the efficacy of IPT in Greece.
The second study evaluates a second hypothesis, when IPT is more and less effective regarding treatment resistant schizophrenia (TRS) and non treatment resistant
schizophrenia (NTRS). It is a part of the first paper. Significant effects favouring NTRS were found for verbal memory, for symptoms, for functioning and quality of
life. Effect sizes showed superiority of NTRS in comparison to TRS. IPTTRS showed on the other side some significant improvements. This study presents the initial findings of a larger study to be conducted internationally for the first time.
The third study is a systematic review, which aims to evaluate the efficacy of Cognitive Behavioral Therapy (CBT), of Meta Cognitive Therapy (MCT), Metacognitive Training (MCTR), Metacognitive Reflection and Insight Therapy
(MERIT), of various Rehabilitation Programs and Recovery Programs in individuals with schizophrenia. 41 RCTs and 12 Case Studies were included. The above interventions are efficacious in the improvement of cognitions, symptoms, functional outcome, insight, self-esteem, comorbid disorders and metacognitive capacity.
The three studies provide insight regarding the importance of evidence-based psychotherapy in persons with schizophrenia leading to recovery and reintegration into
society. Future RCTs with larger samples and long-term follow up, combining evidence-based psychotherapies for individuals with schizophrenia need to be done.
This thesis examined two specific cases of point and diffuse pollution, pesticides and salinisation, which are two of the most concerning stressors of Germany’s freshwater bodies. The findings of this thesis were organized into three major components, of which the first component presents the contribution of WWTPs to pesticide toxicity (Chapter 2). The second component focuses on the current and future background salt ion concentrations under climate change with the absence of anthropogenic activities (Chapter 3). Finally, the third major component shows the response of invertebrate communities in terms of species turnover to levels of salinity change, considered as a proxy for human-driven salinisation (Chapter 4).
In this thesis we examined the question whether personality traits of early child care workers influence process quality in preschool.
Research has shown that in educational settings such as preschool, pedagogical quality affects children’s developmental outcome (e.g. NICHD, 2002; Peisner-Feinberg et al., 1999). A substantial part of pedagogical quality known to be vital in this respect is the interaction between teacher and children (e.g., Tietze, 2008). Results of prior classroom research indicate that the teachers’ personality might be an important factor for good teacher-child-interaction (Mayr, 2011). Thus, personality traits might play a vital role for the interaction in preschool. Therefore, the aims of this thesis were to a) identify pivotal personality traits of child care workers, b) assess ideal levels of the identified personality traits and c) examine the relationship between pivotal personality traits and process quality. On that account, we conducted two requirement analyses and a video study. The results of these studies showed that subject matter experts (parents, child care workers, lecturers) partly agreed as to which personality traits are pivotal for child care workers. Furthermore, the experts showed high consensus with regard to the minimum, ideal and maximum personality trait profiles. Furthermore, child care workers whose profiles lay closer to the experts’ ideal also showed higher process quality. In addition, regression analyses showed that the child care workers’ levels of the Big Two (Communion and Agency) related significantly to their process quality.
The history of human kind is characterized by social conflict. Every conflict can be the starting point of social change or the escalation into more destructive forms. The social conflict in regard to rising numbers of refugees and their acceptance that arose in most host countries in 2015 already took on destructive forms – in Germany, right-wing extremists attacked refugee shelters and even killed multiple people, including political leaders who openly supported refugees. Thus, incompatible expectancies and values of different parts of the society led to violent action tendencies, which tremendously threaten intergroup relations. Psychological research has developed several interventions in past decades to improve intergroup relations, but they fall short, for example, when it comes to the inclusion of people with extreme attitudes and to precisely differentiate potential prosocial outcomes of the interventions. Thus, this dissertation aimed to a) develop psychological interventions, that could also be applied to people with more extreme attitudes, thereby putting a special emphasis on collecting a diverse sample; b) gain knowledge about target- and outcome specific effects: Who benefits from which intervention and how can specific prosocial actions be predicted in order to develop interventions that guide needs-based actions; and c) shed light on potential underlying mechanisms of the interventions.
The dissertation will be introduced by the socio-political background that motivated the line of research pursued, before providing an overview of the conceptualization of social conflicts and potential psychological inhibitors and catalyzers for conflict transformation. Based on past research on socio-psychological interventions and their limitations, the aims of the dissertation will be presented in more detail, followed by a short summary of each manuscript. Overall, the present thesis comprises four manuscripts that were summarized in the general discussion into a road map for social-psychological interventions to put them into a broader perspective. The road map aspires to provide recommendations for increasing – either approach-oriented or support-oriented actions – by the socio-psychological interventions for a variety of host society groups depending on their pre-existing attitude towards refugees.
A Paradoxical Intervention targeting central beliefs of people with negative attitudes towards refugees influenced inhibitory and catalyzing factors for conflict transformation over the course of three experiments – thereby providing an effective tool to establish approach-oriented action tendencies, such as the willingness to get in contact with refugees. Further, the dissertation presents a novel mechanism – namely Cognitive Flexibility – which could explain the Paradoxical Interventions’ effect of past research. By positively affecting a context-free mindset, the Paradoxical Intervention could impact more flexible thought processes in general, irrespective of the topic tackled in the Paradoxical Intervention itself. For people with rather positive attitudes addressing emotions may increase specific support-oriented action tendencies. The dissertation provides evidence of a positive relation between moral outrage and hierarchy-challenging actions, such as solidarity-based collective action, and sympathy with prosocial hierarchy-maintaining support-oriented actions, such as dependency-oriented helping. These exclusive relations between specific emotions and action intentions provide important implications for the theorizing of emotion-behavior relations, as well as for practical considerations. In addition, a diversity workshop conducted with future diplomats showed indirect effects on solidarity-based collective action via diversity perception and superordinate group identification, thereby extending past research by including action intentions and going beyond the focus on grassroot-initiatives by presenting an implementable intervention for future leaders in a real world context.
Taken together, this dissertation provides important insights for the development of socio-psychological interventions. By integrating a diverse sample, including members of institutions on meso- and macro-levels (non-governmental organizations and future politicians) of our society, this dissertation presents a unique multi-perspective of host society members on the social conflict of refugee acceptance and support. Thereby, this work contributes to theoretical and practical advancement of how social psychology can contribute not only to negative peace – by for example (indirectly) reducing support of violence against refugees – but also to positive peace – by for example investigating precursors of hierarchy-challenging actions that enable equal rights.
Initial goal of the current dissertation was the determination of image-based biomarkers sensitive for neurodegenerative processes in the human brain. One such process is the demyelination of neural cells characteristic for Multiple sclerosis (MS) - the most common neurological disease in young adults for which there is no cure yet. Conventional MRI techniques are very effective in localizing areas of brain tissue damage and are thus a reliable tool for the initial MS diagnosis. However, a mismatch between the clinical fndings and the visualized areas of damage is observed, which renders the use of the standard MRI diffcult for the objective disease monitoring and therapy evaluation. To address this problem, a novel algorithm for the fast mapping of myelin water content using standard multiecho gradient echo acquisitions of the human brain is developed in the current work. The method extents a previously published approach for the simultaneous measurement of brain T1, T∗ 2 and total water content. Employing the multiexponential T∗ 2 decay signal of myelinated tissue, myelin water content is measured based on the quantifcation of two water pools (myelin water and rest) with different relaxation times. Whole brain in vivo myelin water content maps are acquired in 10 healthy controls and one subject with MS. The in vivo results obtained are consistent with previous reports. The acquired quantitative data have a high potential in the context of MS. However, the parameters estimated in a multiparametric acquisition are correlated and constitute therefore an ill-posed, nontrivial data analysis problem. Motivated by this specific problem, a new data clustering approach is developed called Nuclear Potential Clustering, NPC. It is suitable for the explorative analysis of arbitrary dimensional and possibly correlated data without a priori assumptions about its structure. The developed algorithm is based on a concept adapted from nuclear physics. To partition the data, the dynamic behavior of electrically even charged nucleons interacting in a d-dimensional feature space is modeled. An adaptive nuclear potential, comprised of a short-range attractive (Strong interaction) and a long-range repulsive term (Coulomb potential), is assigned to each data point. Thus, nucleons that are densely distributed in space fuse to build nuclei (clusters), whereas single point clusters are repelled (noise). The algorithm is optimized and tested in an extensive study with a series of synthetic datasets as well as the Iris data. The results show that it can robustly identify clusters even when complex configurations and noise are present. Finally, to address the initial goal, quantitative MRI data of 42 patients are analyzed employing NPC. A series of experiments with different sets of image-based features show a consistent grouping tendency: younger patients with low disease grade are recognized as cohesive clusters, while those of higher age and impairment are recognized as outliers. This allows for the definition of a reference region in a feature space associated with phenotypic data. Tracking of the individual's positions therein can disclose patients at risk and be employed for therapy evaluation.
Bäche gehören zu den gefährdetsten Ökosystemen, da sie diversen anthropogenen Stressoren ausgesetzt sind, wobei Pestizide für landwirtschaftliche Bäche am relevantesten erscheinen. Aufgrund der Diskrepanz zwischen modellierten und gemessenen Pestizid-konzentrationen ist Monitoring nötig um zukünftige Risikobewertungen und Zulassungen zu verbessern. Festzustellen ob biotische Stressreaktionen über große räumliche und zeitliche Skalen ähnlich sind, ist nötig um Schwellenwerte zum Schutz vor Stressoren abzuschätzen.
Diese Doktorarbeit beginnt mit einem Überblick über Pestizideintrittspfade in Bäche, sowie dem momentanen Stand des Pestizidmonitorings gefolgt von der Zielsetzung der Doktorarbeit. In Kapitel 2 werden Ergebnisse aus Schöpfproben von Routinemonitoring mehrerer Länder analysiert um die häufigsten Pestizidmischungen zu identifizieren. Diese Mischungen werden von wenigen Pestiziden gebildet, wobei Herbizide dominieren. Die nachgewiesenen Mischungen unterscheiden sich regional, da Nachweisgrenzen und Stoffumfang variieren. Aktuelles Routinemonitoring umfasst bisher keine Probenahmen während durch Starkregenereignisse hervorgerufene Pestizidspitzen, die wahrscheinlich Pestizidmischungen beeinflussen. In Kapitel 3 werden Sammelraten für 42 Pestizide bei der Benutzung von Passiv-sammlern vorgestellt und Empfehlungen zum Monitoring von feldrelevanten Pestizidspitzen gegeben. Damit konnte in Kapitel 4 ein Pestizidgradient in einer osteuropäischen Region aufgestellt werden in der die Landwirtschaftsintensität von niedrig bis hoch reicht. Dabei wurden Regenereignisse beprobt und eine Vielzahl von Pestiziden analysiert. Dies führte zu vielen gleichzeitig nachgewiesenen Pestiziden, von denen ein bis drei die Pestizidtoxizität bestimmten. Diese zeigte jedoch keinen Zusammenhang zur landwirtschaftlichen Intensität. Durch Mikrokosmenexperimente wurde in Kapitel 5 die Stressantwort von Pilzgemeinschaften, den Hyphomyceten, und deren assoziierter Ökosystemfunktion des Laubabbaus untersucht. Effekte einer feldrelevanten Fungizidmischung wurde über drei biogeographische Regionen sowie drei aufeinanderfolgende Zyklen von mikrobieller Laubkolonisation und -abbau untersucht. Trotz anfänglich unterschiedlichen Gemeinschaften waren Stressantworten sowie Erholungen in den untersuchten Regionen ähnlich, was auf ein generelles Muster hindeutet.
Insgesamt trägt diese Doktorarbeit zum verbesserten Verständnis von Vorkommen und Konzentrationen von Pestizidmischungen, deren Monitoring sowie ihren Auswirkungen auf eine Ökosystemfunktion bei. Wir konnten zeigen, dass die abgeschätzten Pestizidtoxizitäten potentiell Nichtzielorganismen und somit ganze Ökosystem beeinflussen. Routinemonitoring unterschätzt diese Gefahr bisher jedoch wahrscheinlich. Effekte, welche Verluste in Biodiversität sowie Funktionen hervorrufen, können verringert werden indem zugelassene Pestizide mit anhaltendem Monitoring neu bewertet werden und die Datenlage zu Pestizidwirkungen verbessert wird.
The three biodegradable polymers polylactic acid (PLA), polyhydroxybutyrate (PHB) and polybutylene adipate terephthalate (PBAT) were coated with hydrogenated amorphous carbon layers (a-C:H) in the context of this thesis. A direct alignment of the sample surface to the source was chosen, resulting in the deposition of a robust, r-type a-C:H. At the same time, a partly covered silicon wafer was placed together with the polymers in the coating chamber and was coated. Silicon is a hard material and serves as a reference for the applied layers. Due to the hardness of the material, no mixed phase occurs between the substrate and the applied layer (no interlayer formation). In addition, the thickness of the applied layer can be estimated with the help of the silicon sample.
The deposition of the layer was realized by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (RF-PECVD). For the coating the samples were pre-treated with an oxygen plasma. Acetylene was used as precursor gas for the plasma coating. Coatings with increasing thickness in 50 nm steps from 0-500 nm were realised.
The surface analysis was performed using several techniques: The morphology and layer stability were analyzed with scanning electron microscopy (SEM) measurements. The wettability was determined by contact angle technique. In addition, the contact angles provide macroscopic information about the bond types of the carbon atoms present on the surface. For microscopic analysis of the chemical composition of the sample and layer surfaces, diffuse reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (DRIFT) as well as synchrotron based X-ray photon spectroscopy (XPS) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) were used.
All coated polymers showed several cases of layer failure due to internal stress in the layers. However, these were at different layer thicknesses, so there was a substrate effect. In addition, it is visible in the SEM images that the coatings of PLA and PHB can cause the applied layer to wave, the so-called cord buckling. This does not occur with polymer PBAT, which indicates a possible better bonding of the layer to the polymer. The chemical analyses of the layer surfaces show for each material a layer thickness dependent ratio of sp² to sp³ bonds of carbon, which alternately dominate the layer. In all polymers, the sp³ bond initially dominates, but the sp² to sp³ ratio changes at different intervals. Although the polymers were coated in the same plasma, i.e. the respective layer thicknesses (50 nm, 100 nm, ...) were applied in the same plasma process, the respective systems differed considerably from each other. A substrate effect is therefore demonstrably present. In addition, it was found that a change in the dominant bond from sp³ to sp² is an indication ofan upcoming layer failure of the a-C:H layer deposited on the polymer. In the case of PLA, this occurs immediately with change to sp² as the dominant bond; in the case of PHB and PBAT, this occurs with different delay to increased layer thicknesses (at PHB 100 nm, at PBAT approx. 200 nm.
Overall, this thesis shows that there is a substrate effect in the coating of the biodegradable polymers PLA, PHB and PBAT, since despite the same coating there is a different chemical composition of the surface at the respective layer thicknesses. In addition, a layer failure can be predicted by analyzing the existing bond.
Data-minimization and fairness are fundamental data protection requirements to avoid privacy threats and discrimination. Violations of data protection requirements often result from: First, conflicts between security, data-minimization and fairness requirements. Second, data protection requirements for the organizational and technical aspects of a system that are currently dealt with separately, giving rise to misconceptions and errors. Third, hidden data correlations that might lead to influence biases against protected characteristics of individuals such as ethnicity in decision-making software. For the effective assurance of data protection needs,
it is important to avoid sources of violations right from the design modeling phase. However, a model-based approach that addresses the issues above is missing.
To handle the issues above, this thesis introduces a model-based methodology called MoPrivFair (Model-based Privacy & Fairness). MoPrivFair comprises three sub-frameworks: First, a framework that extends the SecBPMN2 approach to allow detecting conflicts between security, data-minimization and fairness requirements. Second, a framework for enforcing an integrated data-protection management throughout the development process based on a business processes model (i.e., SecBPMN2 model) and a software architecture model (i.e., UMLsec model) annotated with data protection requirements while establishing traceability. Third, the UML extension UMLfair to support individual fairness analysis and reporting discriminatory behaviors. Each of the proposed frameworks is supported by automated tool support.
We validated the applicability and usability of our conflict detection technique based on a health care management case study, and an experimental user study, respectively. Based on an air traffic management case study, we reported on the applicability of our technique for enforcing an integrated data-protection management. We validated the applicability of our individual fairness analysis technique using three case studies featuring a school management system, a delivery management system and a loan management system. The results show a promising outlook on the applicability of our proposed frameworks in real-world settings.
Amphibian populations are declining worldwide for multiple reasons such as habitat destruction and climate change. An example for an endangered European amphibian is the yellow-bellied toad Bombina variegata. Populations have been declining for decades, particularly at the northern and western range margin. One of the extant northern range centres is the Westerwald region in Rhineland-Palatinate, Germany. To implement informed conservation activities on this threatened species, knowledge of its life-history strategy is crucial. This study therefore focused on different developmental stages to test predictions of life-history theory. It addressed (1) developmental, (2) demographic and (3) genetic issues of Bombina variegata as a model organism: (1) Carry-over effects from larval environment to terrestrial stages and associated vulnerability to predators were investigated using mesocosm approaches, fitness tests and predation trials. (2) The dynamics and demography of B. variegata populations were studied applying a capture-mark-recapture analysis and skeletochronology. The study was complemented through (3) an analysis of genetic diversity and structuring of B. variegata populations using 10 microsatellite loci. In order to reveal general patterns and characteristics among B. variegata populations, the study focused on three geographical scales: local (i.e. a former military training area), regional (i.e. the Westerwald region) and continental scale (i.e. the geographical range of B. variegata). The study revealed carry-over effects of larval environment on metamorph phenotype and behaviour causing variation in fitness in the early terrestrial stage of B. variegata. Metamorph size and condition are crucial factors for survival, as small-sized individuals were particularly prone to predator attacks. Yellow-bellied toads show a remarkable fast-slow continuum of the life-history trait longevity. A populations’ position within this continuum may be determined by local environmental stochasticity, i.e. an extrinsic source of variation, and the efficiency of chemical antipredator protection, i.e. an intrinsic source of variation. Extreme longevity seems to be an exception in B. variegata. Senescence was absent in this study. Weather variability affected reproductive success and thus population dynamics. The dispersal potential was low and short-term fragmentation of populations caused significant genetic differentiation at the local scale. Long-term isolation resulted in increased genetic distance at the regional scale. At the continental scale, populations inhabiting the marginal regions were deeply structured with reduced allelic richness. As consequence of environmental changes, short-lived and isolated B. variegata populations at the range margin may face an increased risk of extinction. Conservation measures should thus improve the connectivity among local populations and reinforce annual reproductive success. Further research on the intraspecific variation in B. variegata skin toxins is required to reveal potential effects on palatability and thus longevity.
Da die Belastung von Gewässern mit Mikroorganismen ein Gesundheitsrisiko für den Menschen unter anderem bei dessenFreizeitnutzung birgt, wurde die mikrobielle Belastung der Flüsse Rhein, Mosel und Lahn anhand von Indikatoren für fäkalbürtige bakterielle (Escherichia coli, intestinale Enterkokken) und virale Belastungen (somatische Coliphagen) untersucht. Des Weiteren wurden blaCTX-MGene als Marker für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen in der Lahn quantifiziert. Durch vergleichende Analysen von Monitoringdaten gegensätzlicher Abflussgeschehen in Rhein und Mosel wurde ein Einfluss von Veränderungen klimarelevanter Parameter auf die Verbreitung der fäkalen Indikatororganismen (FIO) geprüft. Die Analysen an Rhein, Mosel und Lahn zeigen deutlich, dass hohe Abflüsse und Niederschläge den Eintrag von FIO und Antibiotikaresistenzgenen (ARG) und damit potentiell antibiotikaresistenter Bakterien in Gewässer begünstigten, während unter dem Einfluss hoher Globalstrahlung und steigenden Wassertemperaturen ein Rückgang zu beobachtenwar. Basierend auf als relevant identifizierten Einflussparametern wurden multiple lineare Regressionsmodelle (MLR Modelle) entwickelt, die eine zeitnahe Vorhersage von FIO Konzentrationen an fünf Stellen eines Lahnabschnitts ermöglichen. Wechselwirkungenzwischen abiotischen und biotischen (Fraßdruck) Faktoren tragen zur Entstehung saisonaler Muster in den FIO Konzentrationenbei. Diese sind unter Niedrigwasserverhältnissen und besonders in Flüssen mit ausgeprägten trophischen Interaktionen besonders deutlich ausgeprägt und beeinflussen eine Übertragbarkeit von Modellansätzen zwischen Flüssen unterschiedlicher biologischer und hydrologischer Charakteristika. Daraus, dass Bakterien davon stärker betroffen sind als Coliphagen, lässt sich schließen, dass bakterielle Indikatoren virale Belastungen nicht ausreichend abbilden. BlaCTX-MGene waren in der Lahn parallel zu den FIO ubiquitär nachzuweisen, was auf einen fäkalen Ursprung hinweist. Landwirtschaft und kommunale Kläranlageneinleiter trugen zur Belastung mit FIO bei. Es zeigte sich, dass auch nicht badende Wassersportler mit eingeschränktem Wasserkontakt nachweislich dem Risiko ausgesetzt waren, antibiotikaresistente Bakterien (ARB) samt ihren Genen zu verschlucken, was das Risiko einer Infektion oder Kolonisierung mit den entsprechenden Bakterien birgt. Da ARG zu großen Teilen durch E. colierklärt werden konnten, könnenARG gegebenenfalls in MLR Modellemit E. colispezifischen Vorhersagevariablenintegriert werden. Kurzeitige und kurzfristig auftretende Verschmutzungsereignisse werden in Zukunft als eine Folge des Klimawandels in ihrer Häufigkeit weiter zunehmen. Identifizierte Herausforderungen hinsichtlich der Implementierung von Frühwarnsystemen zur Bewertung der mikrobiellen Wasserqualität in Flüssen liegen in den Anforderungen der Badegewässerrichtlinie (Richtlinie 2006/7/EC) und in einer unzureichenden Harmonisierung des Rechtsrahmens der Europäischen Union (EU) begründet, um Gesundheitsrisiken aufgrund mikrobieller Belastung in multifunktional genutzten Gewässern angemessen zu begegnen.
Dadurch, dass Silber-Nanopartikel (Ag NPs) vielfältig in Konsumartikeln eingesetzt werden, führt deren Auswaschung zu einer kontinuierlichen Freisetzung von Ag NPs in natürliche Gewässer. Dadurch werden bakterielle Biofilme, welche die vorherrschende Lebensform von Mikroorganismen in der aquatischen Umwelt darstellen, sehr wahrscheinlich mit diesen in Form eines Umweltschadstoffes onfrontiert. Ungeachtet der bedeutsamen ökologischen Relevanz von bakteriellen Biofilmen in aquatischen Systemen und obwohl erwartet wird, dass Ag NPs in diesen Biofilmen in der Umwelt akkumulieren, liegt der Wissensstand hinsichtlich der umweltbedingten und ökologischen Auswirkung von Ag NPs hinter dem industriellen Wachstum der Nanotechnologie zurück. Demzufolge ist das Ziel dieser Dissertation, die Wirkungsbeziehung der Ag NP-Exposition gegenüber bakteriellen Biofilmen mit Ag NP-Immissionskonzentrationen und unter umwelt-relevanten Bedingungen zu erbringen. Infolgedessen wurden eine umfassende Reihe an Methoden angewendet, um zu untersuchen ob und inwiefern Ag NPs in zwei verschiedenen Größen (30 und 70 nm) und in umweltrelevanten Konzentrationen (600 - 2400 µg l-1) bakterielle Biofilme, d.h. monospecies- und Süßwasser-Biofilme, beeinträchtigen. Innerhalb des ersten Teils dieser Arbeit wurde ein neu entwickelter Assay validiert, um die mechanische Stabilität von monospecies Biofilmen des Bakteriums Aquabacterium citratiphilum zu untersuchen. In der ersten Studie, welche den Einfluss von Ag NPs auf die mechanische Stabilität von bakteriellen Biofilmen untersucht hat, wurden subletale Auswirkungen auf die mechanische Stabilität dieser Biofilme mit negativen Implikationen für die Biostabilisation festgestellt. Weiterhin wurde eine Mesokosmus-Studie konzipiert und durchgeführt, innerhalb der die Auswirkungen von Ag NPs auf Süßwasser-Biofilme eingehend unter realistischen Umweltbedingungen untersucht werden konnte, da es derzeit technisch noch sehr anspruchsvoll ist, die Ökotoxizität von Ag NPs in der Umwelt von Binnengewässern zu untersuchen. Innerhalb dieser Studie wurden verschiedene Methoden zur Untersuchung der Biofilmeigenschaften eingesetzt und damit Erkenntnisse über die Resilienz von bakteriellen Süßwasser-Biofilmen gewonnen. Demgegenüber konnte mittels t-RFLP fingerprinting und phylogenetischen Untersuchungen basierend auf der Sequenzanalyse des 16S-rRNA-Gens nachgewiesen werden, dass die Exposition der Biofilme mit Ag NPs zu einer Verschiebung innerhalb der Zusammensetzung der bakteriellen Biofilmgemeinschaft führt, in der Ag NP-sensitive Arten von Ag NP-toleranten Arten, die besser an Ag NP Stress adaptiert sind, verdrängt wurden. Diese Verschiebung innerhalb der bakteriellen Biofilmgemeinschaft könnte die Biofilm-Leistungen beeinträchtigen, die intakte Biofilme auszeichnen, wie etwa den Abbau erhöhten Nährstoffeintrags, die Umwandlung und/oder den Abbau von Schadstoffen sowie Biostabilisation. Durch das Zusammenführen der wichtigsten Erkenntnisse dieser Dissertation konnten 4 generelle Wirkmechanismen durch die Ag NP-Behandlung identifiziert werden, die auf natürliche Süßwassersysteme übertragbar sein könnten: (i) Comamonadaceae wurden als Ag NP-tolerant identifiziert, (ii) Biofilme zeigen ein partiell resilientes Verhalten, (iii) die beiden eingesetzten verschiedenen Ag NP-Größen führten zu vergleichbaren Ergebnissen unabhängig von deren Größe oder Synthesemethode, (iv) Bakterielle Biofilme verfügen über eine hohe Aufnahmekapazität für Ag NPs, die auf eine kumulative Anreicherung hinweist.
Bio-medical data comes in various shapes and with different representations.
Domain experts use such data for analysis or diagnosis,
during research or clinical applications. As the opportunities to obtain
or to simulate bio-medical data become more complex and productive,
the experts face the problem of data overflow. Providing a
reduced, uncluttered representation of data, that maintains the data’s
features of interest falls into the area of Data Abstraction. Via abstraction,
undesired features are filtered out to give space - concerning the
cognitive and visual load of the viewer - to more interesting features,
which are therefore accentuated. To address this challenge, the dissertation
at hand will investigate methods that deal with Data Abstraction
in the fields of liver vasculature, molecular and cardiac visualization.
Advanced visualization techniques will be applied for this purpose.
This usually requires some pre-processing of the data, which will also
be covered by this work. Data Abstraction itself can be implemented
in various ways. The morphology of a surface may be maintained,
while abstracting its visual cues. Alternatively, the morphology may
be changed to a more comprehensive and tangible representation.
Further, spatial or temporal dimensions of a complex data set may
be projected to a lower space in order to facilitate processing of the
data. This thesis will tackle these challenges and therefore provide an
overview of Data Abstraction in the bio-medical field, and associated
challenges, opportunities and solutions.
The European landscape is dominated by intensive agriculture which leads to widespread impact on the environment. The frequent use of agricultural pesticides is one of the major causes of an ongoing decline in flower-visiting insects (FVIs). The conservation of this ecologically diverse assemblage of mobile, flying insect species is required by international and European policy. To counteract the decrease in species numbers and their abundances, FVIs need to be protected from anthropogenic stressors. European pesticide risk assessment was devised to prevent unacceptable adverse consequences of pesticide use on FVIs. However, there is an ongoing discussion by scientists and policy-makers if the current risk assessment actually provides adequate protection for FVI species.
The first main objective of this thesis was to investigate pesticide impact on FVI species. The scientific literature was reviewed to identify groups of FVIs, summarize their ecology, and determine their habitat. This was followed by a synthesis of studies about the exposure of FVIs in their habitat and subsequent effects. In addition, the acute sensitivity of one FVI group, bee species, to pesticides was studied in laboratory experiments.
The second main objective was to evaluate the European risk assessment for possible deficits and propose improvements to the current framework. Regulatory documents were screened to assess the adequacy of the guidance in place in light of the scientific evidence. The suitability of the honey bee Apis mellifera as the currently only regulatory surrogate species for FVIs was discussed in detail.
The available scientific data show that there are far more groups of FVIs than the usually mentioned bees and butterflies. FVIs include many groups of ecologically different species that live in the entire agricultural landscape. Their habitats in crops and adjacent semi-natural areas can be contaminated by pesticides through multiple pathways. Environmentally realistic exposure of these habitats can lead to severe effects on FVI population parameters. The laboratory studies of acute sensitivity in bee species showed that pesticide effects on FVIs can vary greatly between species and pesticides.
The follow-up critical evaluation of the European FVI risk assessment revealed major shortcomings in exposure and effect assessment. The honey bee proved to be a sufficient surrogate for bee species in lower tier risk assessment. Additional test species may be chosen for higher tier risk assessment to account for ecological differences. This thesis shows that the ecology of FVIs should generally be considered to a greater extent to improve the regulatory process. Data-driven computational approaches could be used as alternative methods to incorporate ecological trait data in spatio-temporal scenarios. Many open questions need to be answered by further research to better understand FVI species and promote necessary changes to risk assessment. In general, other FVI groups than bees need to be investigated. Furthermore, comprehensive data on FVI groups and their ecology need to be collected. Contamination of FVI habitat needs to be linked to exposure of FVI individuals and ecologically complex effects on FVI populations should receive increased attention. In the long term, European FVI risk assessment would benefit from shifting its general principles towards more scientifically informed regulatory decisions. This would require a paradigm shift from arbitrary assumptions and unnecessarily complicated schemes to a substantiated holistic framework.
Environmental processes transforming inorganic nanoparticles: implications on aquatic invertebrates
(2020)
Engineered inorganic nanoparticles (EINPs) are produced and utilized on a large scale and will end up in surface waters. Once in surface waters, EINPs are subjected to transformations induced by environmental processes altering the particles’ fate and inherent toxicity. UV irradiation of photoactive EINPs is defined as one effect-inducing pathway, leading to the formation of reactive oxygen species (ROS), increasing EINP toxicity by exerting oxidative stress in aquatic life. Simultaneously, UV irradiation of photoactive EINP alters the toxicity of co-occurring micropollutants (e.g. pesticides) by affecting their degradation. The presence of natural organic matter (NOM) reduces the agglomeration and sedimentation of EINPs, extending the exposure of pelagic species, while delaying the exposure of benthic species living in and on the sediment, which is suggested as final sink for EINPs. However, the joint impact of NOM and UV irradiation on EINP-induced toxicity, but also EINP-induced degradation of micropollutants, and the resulting risk for aquatic biota, is poorly understood. Although potential effects of EINPs on benthic species are increasingly investigated, the importance of exposure pathways (waterborne or dietary) is unclear, along with the reciprocal pathway of EINPs, i.e. the transport back from aquatic to terrestrial ecosystems. Therefore, this thesis investigates: (i) how the presence of NOM affects the UV-induced toxicity of the model EINP titanium dioxide (nTiO2) on the pelagic organism Daphnia magna, (ii) to which extent UV irradiation of nTiO2 in the presence and absence of NOM modifies the toxicity of six selected pesticides in D. magna, (iii) potential exposure pathway dependent effects of nTiO2 and silver (nAg) EINPs on the benthic organism Gammarus fossarum, and (iv) the transport of nTiO2 and gold EINPs (nAu) via the merolimnic aquatic insect Chaetopteryx villosa back to terrestrial ecosystems. nTiO2 toxicity in D. magna increased up to 280-fold in the presence of UV light, and was mitigated by NOM up to 12-fold. Depending on the pesticide, UV irradiation of nTiO2 reduced but also enhanced pesticide toxicity, by (i) more efficient pesticide degradation, and presumably (ii) formation of toxic by-products, respectively. Likewise, NOM reduced and increased pesticide toxicity, induced by (i) protection of D. magna against locally acting ROS, and (ii) mitigation of pesticide degradation, respectively. Gammarus’ energy assimilation was significantly affected by both EINPs, however, with distinct variation in direction and pathway dependence between nTiO2 and nAg. EINP presence delayed C. villosa emergence by up to 30 days, and revealed up to 40% reduced lipid reserves, while the organisms carried substantial amounts of nAu (~1.5 ng/mg), and nTiO2 (up to 2.7 ng/mg). This thesis shows, that moving test conditions of EINPs towards a more field-relevant approach, meaningfully modifies the risk of EINPs for aquatic organisms. Thereby, more efforts need to be made to understand the relative importance of EINP exposure pathways, especially since a transferability between different types of EINPs may not be given. When considering typically applied risk assessment factors, adverse effects on aquatic systems might already be expected at currently predicted environmental EINP concentrations in the low ng-µg/L range.
The distributed setting of RDF stores in the cloud poses many challenges. One such challenge is how the data placement on the compute nodes can be optimized to improve the query performance. To address this challenge, several evaluations in the literature have investigated the effects of existing data placement strategies on the query performance. A common drawback in theses evaluations is that it is unclear whether the observed behaviors were caused by the data placement strategies (if different RDF stores were evaluated as a whole) or reflect the behavior in distributed RDF stores (if cloud processing frameworks like Hadoop MapReduce are used for the evaluation). To overcome these limitations, this thesis develops a novel benchmarking methodology for data placement strategies that uses a data-placement-strategy-independent distributed RDF store to analyze the effect of the data placement strategies on query performance.
With this evaluation methodology the frequently used data placement strategies have been evaluated. This evaluation challenged the commonly held belief that data placement strategies that emphasize local computation, such as minimal edge-cut cover, lead to faster query executions. The results indicate that queries with a high workload may be executed faster on hash-based data placement strategies than on, e.g., minimal edge-cut covers. The analysis of the additional measurements indicates that vertical parallelization (i.e., a well-distributed workload) may be more important than horizontal containment (i.e., minimal data transport) for efficient query processing.
Moreover, to find a data placement strategy with a high vertical parallelization, the thesis tests the hypothesis that collocating small connected triple sets on the same compute node while balancing the amount of triples stored on the different compute nodes leads to a high vertical parallelization. Specifically, the thesis proposes two such data placement strategies. The first strategy called overpartitioned minimal edge-cut cover was found in the literature and the second strategy is the newly developed molecule hash cover. The evaluation revealed a balanced query workload and a high horizontal containment, which lead to a high vertical parallelization. As a result these strategies showed a better query performance than the frequently used data placement strategies.
In IT-Systemen treten viele Datenschutzrisiken auf, wenn Datenschutzbedenken in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses nicht angemessen berücksichtigt werden. Die Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) schreibt das Prinzip des Datenschutz durch Technikgestaltung (PbD) vor. PbD erfordert den Schutz personenbezogener Daten von Beginn des Entwicklungsprozesses an, durch das frühzeitige Integrieren geeigneter Maßnahmen. Bei der Realisierung von PbD ergeben sich nachfolgende Herausforderungen: Erstens benötigen wir eine präzise Definition von Datenschutzbedenken. Zweitens müssen wir herausfinden, wo genau in einem System die Maßnahmen angewendet werden müssen. Drittens ist zur Auswahl geeigneter Maßnahmen, ein Mechanismus zur Ermittlung der Datenschutzrisiken erforderlich. Viertens müssen bei der Auswahl und Integration geeigneter Maßnahmen, neben den Risiken, die Abhängigkeiten zwischen Maßnahmen und die Kosten der Maßnahmen berücksichtigt werden.
Diese Dissertation führt eine modellbasierte Methodik ein, um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen und PbD zu operationalisieren. Unsere Methodik basiert auf einer präzisen Definition von Datenschutzbedenken und umfasst drei Untermethodiken: modellbasierte Datenschutzanalyse, modellbasierte Datenschutz-Folgenabschätzung und datenschutzfreundliche Systemmodellierung. Zunächst führen wir eine Definition für Datenschutzpräferenzen ein, anhand derer die Datenschutzbedenken präzisiert werden können und überprüft werden kann, ob die Verarbeitung personenbezogener Daten autorisiert ist. Zweitens präsentieren wir eine modellbasierte Methodik zur Analyse eines Systemmodells. Die Ergebnisse dieser Analyse ergeben die Menge der Verstöße gegen die Datenschutzpräferenzen in einem Systemmodell. Drittens führen wir eine modellbasierte Methode zur Datenschutzfolgenabschätzung ein, um konkrete Datenschutzrisiken in einem Systemmodell zu identifizieren. Viertens schlagen wir in Bezug auf die Risiken, Abhängigkeiten zwischen Maßnahmen und Kosten der Maßnahmen, eine Methodik vor, um geeignete Maßnahmen auszuwählen und in ein Systemdesign zu integrieren. In einer Reihe von realistischen Fallstudien bewerten wir unsere Konzepte und geben einen vielversprechenden Ausblick auf die Anwendbarkeit unserer Methodik in der Praxis.
Gel effect induced by mucilage in the pore space and consequences on soil physical properties
(2020)
Wasseraufnahme, Atmung und Exsudation sind biologische Schlüsselfunktionen der Wurzeln höherer Pflanzen. Sie steuern das Pflanzenwachstum, indem sie die biogeochemischen Parameter des Bodens in unmittelbarer Nähe der Wurzeln, der Rhizosphäre, verändern. Folglich sind Bodenprozesse wie beispielsweise Wasserflüsse, Kohlen- und Stickstoffaustausch oder mikrobielle Aktivitäten in der Rhizosphäre im Vergleich zu freiem Boden begünstigt. Insbesondere die Exsudation von Mucilage durch die Pflanzenwurzeln scheint ein wichtiger Mechanismus zu sein, um Trockenstress vorzubeugen. Durch diese gelartige Substanz wird bei negativen Wasserpotentialen sowohl der Bodenwassergehalt als auch die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit erhöht. Die Veränderung der Bodeneigenschaften durch Mucilage ist Gegenstand aktueller Forschung. Ein umfassendes Verständnis der Mechanismen im Porenraum der Rhizosphäre ist bisher allerdings noch unzureichend.
Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der Gel-Eigenschaften von Mucilage im Porenraum der Rhizosphäre, um Veränderungen der physiko-chemischen Eigenschaften der Rhizosphäre auf dieses interpartikuläre Mucilage zurückzuführen. Dabei stellten sich drei Herausforderungen: Zunächst einmal mangelte es an Methoden zur in situ Detektion von Mucilage im Boden. Außerdem fehlten detaillierte Kenntnisse bezüglich der Eigenschaften von interpartikulärem Mucilage. Desweiteren war die Beziehung zwischen der Zusammensetzung und den Eigenschaften von Modelsubstanzen und wurzelstämmigem Mucilage verschiedener Spezies unbekannt. Diese Fragen werden in den verschiedenen Kapiteln der Arbeit thematisiert.
Zunächst erfolgte eine Literaturrecherche, um Informationen aus verschiedenen Wissenschaftsbereichen über Methoden zur Charakterisierung von Gelen und Gel-Phasen im Boden zusammenzustellen. Die Änderung von Bodeneigenschaften aufgrund vorhandener Biohydrogelphasen im Boden kann als „Gel-Effekt“ bezeichnet werden. Die kombinierte Studie von Wassereinschlüssen in Gelen und Boden-Gel-Phasen mit der Untersuchung struktureller Eigenschaften von Boden hinsichtlich der mechanischen Stabilität und visueller Strukturen, zeigte sich als vielversprechend, um den Gel-Effekt im Boden zu charakterisieren.
Das erworbene methodische Wissen wurde in den nächsten Untersuchungen angewendet, um die Eigenschaften von interpartikulären Gelen zu detektieren und zu charakterisieren. 1H NMR Relaxometrie erlaubt die nicht-invasive Bestimmung der Wassermobilität in porösen Medien. Ein konzeptuelles Modell wurde aus Gleichungen entwickelt, welche die Proton-Relaxation in gelhaltigen porösen Medien beschreiben. Dieses Modell berücksichtigt den beschriebenen Gel-Effekt bei der Wahl der NMR Parameter und quantifiziert den Einfluss von Mucilage auf die Proton-Relaxation. Darüber hinaus wurde mithilfe von Rheometrie die Viskosität von Mucilage sowie die mikrostrukturelle Bodenstabilität bestimmt. Mittels Rasterelektronenmikroskopie wurde die Netzwerkstruktur von interpartikulärem Gel visualisiert. Die kombinierte Auswertung dieser Ergebnisse identifizierte drei wichtige Eigenschaften von interpartikulärem Gel: Der „Spinnennetz-Effekt“ schränkt die Dehnung der Polymerketten aufgrund der Verbindung zwischen dem Polymer Netzwerk und der Oberfläche von Bodenpartikeln ein. Der „Polymer-Netzwerk-Effekt“ veranschaulicht die Anordnung des Polymernetzwerks im Porenraum gemäß der räumliche Umgebung. Der „Mikroviskositäts-Effekt“ beschreibt die erhöhte Viskosität von interpartikulärem Gel im Vergleich zu freiem Gel. Die Auswirkungen dieser Eigenschaften auf die Wassermobilität und auf die mikrostrukturelle Stabilität des Bodens wurden untersucht und daraus resultierende Konsequenzen für hydraulische und mechanische Eigenschaften des Bodens diskutiert.
Der Einfluss von den chemischen Eigenschaften von Polymeren auf Gel-Bildungsmechanismen und Gel-Eigenschaften wurde untersucht. Dafür wurden Modelsubstanzen mit verschiedenen Uronsäure-Gehalt, Veresterungsgrade und Calcium-Gehalt getestet und die Menge an Materialanteil mit hohem Molekulargewicht quantifiziert. Die untersuchten Modelsubstanzen waren verschiedenen Pektin Polymeren und Chia Samen Mucilage. Darüber hinaus wurde Mucilage aus Winterweizen und Mais Wurzeln isoliert und untersucht. Polygalakturonsäure und Niedermethyliertes Pektin erwiesen sich als nicht geeignete Modelpolymere für Samen und Wurzelmucilage, da ionische Wechselwirkungen mit Calcium ihre Eigenschaften dominieren. Die dem Mucilage zuzurechnenden Eigenschaften scheinen eher durch schwache elektrostatische Wechselwirkungen zwischen verstrickten Polymerketten beherrscht zu sein. Die Menge an Material mit hohem Molekulargewicht variiert deutlich, abhängig von dem Ursprung des Mucilages. Dies scheint ein bedeutender Faktor für den Gel-Effekt von Mucilage im Boden zu sein. Zusätzlich zu der chemischen Charakterisierung der hochmolekulargewichtigen Polymere ist die exakte Bestimmung der Molekularmassen und der Konformation in verschiedenen Mucilagesorten notwendig, um Zusammensetzungs-Eigenschafts-Profile aufzeichnen zu können. Die Abweichungen zwischen den verschiedenen Mucilagestypen, welche sich durch die Messungen ergeben, haben die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen unterstrichen. Nur so lässt sich die Frage klären, wie die spezifischen Eigenschaften von verschiedenen Mucilagestypen auf die Bedürfnisse der Pflanze abgestimmt sind, der sie entstammen.
Schließlich wurde diskutiert, wie die Betrachtung von molekularen Wechselwirkungen im Gel und interpartikulären Gel-Eigenschaften das Verständnis über die physikalischen Eigenschaften der Rhizosphäre erweitert. Dieser Ansatz ist vielversprechend, um zum Beispiel der Wassergehalt oder die hydraulische Leitfähigkeit entsprechend die Eigenschaften vom exudierten Mucilage zu klären. Darüber hinaus liegt die Vermutung nahe, dass der Gel-Effekt allgemein für alle Bodenexsudate mit Gel-Charakter Gültigkeit besitzt. Eine Klassifizierung natürlicher Boden-Gel-Phasen einschließlich der von Wurzeln, Samen, Bakterien, Hyphen oder Regenwürmern exsudierten, gelartigen Materialien nach ihren gemeinsamen physiko-chemischen Gel-Eigenschaften wird für die zukünftige Forschung empfohlen. Als Ergebnis könnten die physiko-chemische Eigenschaften von solchen Gelen zum Gel-Effekt den Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften und den Funktionen von den Gelen im Boden zugeschrieben worden.
The bio-insecticide Bacillus thuringiensis israelensis (Bti) has worldwide become the most commonly used agentin mosquito control programs that pursue two main objectives: the control of vector-borne diseases and the reduction of nuisance, mainly coming frommosquitoes that emerge in large quantities from seasonal wetlands. The Upper Rhine Valley, a biodiversity hotspot in Germany, has been treated withBti for decades to reduce mosquito-borne nuisance and increase human well-being.Although Btiis presumed to be an environmentally safe agent,adverse effects on wetland ecosystems are still a matter of debate especially when it comes to long-term and indirect effects on non-target organisms. In light of the above, this thesis aims at investigating direct and indirect effects of Bti-based mosquito control on non-target organisms within wetland food chains.Effects were examinedin studies with increasingeco(toxico)logical complexity, ranging from laboratory over mesocosm to field approaches with a focus on the non-biting Chironomidae and amphibian larvae (Rana temporaria, Lissotriton sp.).In addition, public acceptance of environmentally less invasive alternative mosquito control methods was evaluated within surveys among the local population.
Chironomids were the most severely affected non-target aquatic invertebrates. Bti substantially reduced larval and adult chironomid abundances and modified their species composition. Repeated exposures to commonly used Bti formulations induced sublethal alterations of enzymatic biomarkers activityin frog tadpoles. Bti-induced reductions of chironomid prey availability indirectly decreased body size of newts at metamorphosis and increased predation on newt larvae in mesocosm experiments. Indirect effects of severe reductions in midge biomassmight equally be passed through aquatic but also terrestrial food chains influencing predators of higher trophic levels. The majority ofaffectedpeople in the Upper Rhine Valley expressed a high willingness to contributefinancially to environmentally less harmful mosquito control.Alternative approaches could still include Bti applications excepting treatment of ecologically valuable areas. Potentially rising mosquito levels could be counteracted with local acting mosquito traps in domestic and urban areas because mosquito presence was experienced as most annoying in the home environment.
As Bti-based mosquito control can adversely affect wetland ecosystems, its large-scale applications, including nature conservation areas, should be considered more carefully to avoid harmful consequences for the environmentat the Upper Rhine Valley.This thesis emphasizesthe importance to reconsiderthe current practice of mosquito control and encourage research on alternative mosquito control concepts that are endorsed by the local population. In the context ofthe ongoing amphibian and insect declinesfurther human-induced effects onwetlands should be avoided to preserve biodiversity in functioning ecosystems.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit den Chancen und Restriktionen, denen Parteien im Wahlkampf auf supranationaler Ebene der EU begegnen. Mittels kommunikationswissenschaftlicher Konzepte des Agenda-Settings (Fokus: Medien) und Agenda-Buildings (Fokus: Parteien) wird anhand des Wahlkampfs zur Wahl des Europäischen Parlaments (EP) 2014 erstens analysiert, inwieweit nationale politische Parteien die EU als Thema auf ihre Agenda setzen und ob etablierte Parteien so zu einer Normalisierung des EU-Wahlkampfs beitragen können. Zweitens wird untersucht, ob Parteien einen strukturellen Vorteil haben, die mediale Agenda auch auf supranationaler Ebene im Wahlkampf beeinflussen zu können, also mit EU-fokussierter Wahlkampfkommunikation in den Medien punkten können. Drittens wird geprüft, ob sich Parteien durch die Ablehnung der EU-Integration und der damit verbundenen, konflikthaften Kommunikation einen Vorteil für die Sichtbarkeit ihrer Kampagnen verschaffen können. Viertens und abschließend wird erforscht, ob Agenda-Building die Rangfolge spezifischer politischer Themenfelder auf der medialen Agenda im europäischen Kontext beeinflussen kann.
Die Analysen zeigen erstens, dass ein europapolitischer Fokus der Wahlkampfkommunikation nicht mehr nur auf Seiten der kleinen (euroskeptischen) Parteien zu finden ist. Verfolgen die Parteien einen europapolitischen Fokus in ihrer Wahlkampfkommunikation, haben sie zweitens gute Chancen, in der Medienberichterstattung präsent zu sein. Drittens stellt sich ein negativer Tenor der Parteienkommunikation nicht als ausschlaggebend für die Sichtbarkeit der Parteien im Wahlkampf heraus. Eine klare Positionierung auf politischen Sachfragen bereitet Parteien viertens auch auf die Restriktionen der weiteren Ausbildung einer europäischen Themenagenda vor, da die Verschiebung in der Wichtigkeit von Themen zuerst von den Medien erfasst wird, die Kampagnenkommunikation folgt erst darauf. Die Arbeit schließt nach einer Diskussion dieser Ergebnisse mit einer Einschätzung der Analyselimitationen und einem Ausblick auf weitere Forschungsansätze.
Softwaresysteme haben einen zunehmenden Einfluss auf unser tägliches Leben. Viele Systeme verarbeiten sensitive Daten oder steuern wichtige Infrastruktur, was die Bereitstellung sicherer Software unabdingbar macht. Derartige Systeme werden aus Aufwands- und Kostengründen selten erneuert. Oftmals werden Systeme, die zu ihrem Entwurfszeitpunkt als sicheres System geplant und implementiert wurden, deswegen unsicher, weil sich die Umgebung dieser Systeme ändert. Dadurch, dass verschiedenste Systeme über das Internet kommunizieren, sind diese auch neuen Angriffsarten stetig ausgesetzt. Die Sicherheitsanforderungen an ein System bleiben unberührt, aber neue Erkenntnisse wie die Verwundbarkeit eines zum Entwurfszeitpunkt als sicher geltenden Verschlüsselungsalgorithmus erzwingen Änderungen am System. Manche Sicherheitsanforderungen können dabei nicht anhand des Designs sondern nur zur Laufzeit geprüft werden. Darüber hinaus erfordern plötzlich auftretende Sicherheitsverletzungen eine unverzügliche Reaktion, um eine Systemabschaltung vermeiden zu können. Wissen über geeignete Sicherheitsverfahren, Angriffe und Abwehrmechanismen ist grundsätzlich verfügbar, aber es ist selten in die Softwareentwicklung integriert und geht auf Evolutionen ein.
In dieser Arbeit wird untersucht, wie die Sicherheit langlebiger Software unter dem Einfluss von Kontext-Evolutionen bewahrt werden kann. Der vorgestellte Ansatz S²EC²O hat zum Ziel, die Sicherheit von Software, die modellbasiert entwickelt wird, mithilfe von Ko-Evolutionen wiederherzustellen.
Eine Ontologie-basierende Wissensbasis wird eingeführt, die sowohl allgemeines wie auch systemspezifisches, sicherheitsrelevantes Wissen verwaltet. Mittels einer Transformation wird die Verbindung der Wissensbasis zu UML-Systemmodellen hergestellt. Mit semantischen Differenzen, Inferenz von Wissen und der Erkennung von Inkonsistenzen in der Wissensbasis werden Kontext-Evolutionen erkannt.
Ein Katalog mit Regeln zur Verwaltung und Wiederherstellung von Sicherheitsanforderungen nutzt erkannte Kontext-Evolutionen, um mögliche Ko-Evolutionen für das Systemmodell vorzuschlagen, welche die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen wiederherstellen.
S²EC²O unterstützt Sicherheitsannotationen, um Modelle und Code zum Zwecke einer Laufzeitüberwachung zu koppeln. Die Adaption laufender Systeme gegen Bedrohungen wird ebenso betrachtet wie Roundtrip-Engineering, um Erkenntnisse aus der Laufzeit in das System-Modell zu integrieren.
S²EC²O wird ergänzt um eine prototypische Implementierung. Diese wird genutzt, um die Anwendbarkeit von S²EC²O im Rahmen einer Fallstudie an dem medizinischen Informationssystem iTrust zu zeigen.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag, um die Entwicklung und Wartung langlebiger Softwaresysteme in Bezug auf ihre Sicherheit zu begleiten. Der vorgestellte Ansatz entlastet Sicherheitsexperten bei ihrer Arbeit, indem er sicherheitsrelevante Änderungen des Systemkontextes erfasst, den Einfluss auf die Sicherheit der Software prüft und Ko-Evolutionen zur Bewahrung der Sicherheitsanforderungen ermöglicht.
Ökologische Bewertungsansätze auf der Grundlage des Makrozoobenthos in Euphratzuflüssen der Türkei
(2019)
Nachhaltiges Gewässermanagement erfordert Methoden zur Bewertung der ökologischen Gewässerqualität. Die Basis dafür zu entwickeln setzt langjährige limnologische Forschung voraus, die jedoch in der Türkei bisher nicht ausreichend vorhanden ist. Daher war es das Ziel dieser Doktorarbeit, Grundlagenforschung im Bereich der Gewässerökologie durchzuführen und Methoden zur Bewertung der ökologischen Gewässerqualität in der Türkei anhand der Untersuchung von benthischen Invertebraten bereitzustellen. Hierfür habe ich 17 Nebenflüsse des Euphrat mit ähnlicher Typologie/Gewässerordnung ausgewählt, die unter¬schiedlichen anthropogenen Belastungen bis gar keiner Beeinträchtigung ausgesetzt waren. Die Charakterisierung der natürlichen Bergbäche war der erste wichtige Schritt zur Analyse der ökologischen Qualität. Anhand von Gemeinschaftsindizes konnte ich feststellen, dass die hierfür ausgewählten fünf Bäche einen sehr guten ökologischen Zustand aufwiesen. Des Weiteren verglich ich die verschiedenen biologischen Indizes zwischen Frühling (Mai) und Herbst (September), um den optimalen Zeitpunkt der Beprobung festzustellen. Dabei zeigten sich erhebliche Unterschiede in der Makroinvertebratenzusammensetzung zwischen den beiden Jahreszeiten: Die Anzahl der Taxa und der Shannon-Index waren im Herbst deutlich höher als im Frühjahr. Anschließend untersuchte ich bei den Referenzbächen die Nahrungsressourcen des Makrozoobenthos mittels einer Isotopen-Analyse. Als wichtigste Basalressourcen für die benthischen Wirbellosen stellte ich FPOM und Biofilm fest. Infolgedessen unterteilte ich die 17 Bäche anhand der Ähnlichkeit ihrer Gemeinschafts-struktur in drei Qualitätsklassen, die von vier Gemeinschaftsindizes (EPT [%], EPTCBO [%], Anzahl der Individuen, Evenness) unterstützt worden sind. Hierbei wurden 23 Taxa als Indikatoren für die drei Qualitätsklassen identifiziert. Im nächsten Schritt habe ich zwei Möglichkeiten für die Bewertung der Qualitätsklassen entwickelt bzw. angepasst. Als erstes adaptierte ich den biotischen Index Hindu Kush-Himalaya an das Einzugsgebiet des Euphrat, in dem ich eine neue und ökoregionspezifische Score Liste (Euph-Scores) für 93 Taxa erstellt habe. Die gewichteten ASPT-Werte, die in der vorliegenden Arbeit in Euphrat Biotischer Score (EUPHbios) umbenannt worden sind, zeigten im Vergleich zu den anderen ASPT-Werten schärfere Differenzierungen der Qualitätsklassen. Somit erwies sich dieser modifizierte Index in der praktischen Anwendung als sehr aussagekräftig und gut umsetzbar. Als zweiten biologischen Index habe ich den Anteil der Habitat-Spezialisten vorgeschlagen. Um diesen Index zu berechnen, wurden Habitatpräferenzen der 20 häufigsten Makro-invertebraten anhand des neuen Habitat-Scores identifiziert. Der Anteil der Habitat-Spezialisten unterschied sich deutlich zwischen den drei Qualitätsklassen, mit höheren Werten in natürlichen Bächen als in belasteten. Die in dieser Doktorarbeit vorgestellten Methoden und Ergebnisse können in einem multimetrischen Index für ein türkisches Bewertungsprogramm für Fließgewässer verwendet werden.
Streams are coupled with their riparian area. Emerging insects from streams can be an important prey in the riparian area. Such aquatic subsidies can cause predators to switch prey or increase predator abundances. This can impact the whole terrestrial food web. Stressors associated with agricultural land use can alter insect communities in water and on land, resulting in complex response patterns of terrestrial predators that rely on prey from both systems.
This thesis comprises studies on the impact of aquatic nsects on a terrestrial model ecosystem (Objective 1, hapter 2), the influence of agricultural land use on riparian spiders’ traits and community (Objective 2, Chapter 3), and on the impact of agricultural land use on the contribution of different prey to spider diet (Objective 3, Chapter 4).
In chapter 2, I present a study where we conducted a mesocosm experiment to examine the effects of aquatic subsidies on a simplified terrestrial food web consisting of two types of herbivores (leafhoppers and weevils), plants and predators (spiders). I focused on the prey choice of the spiders by excluding predator immigration and reproduction. In accordance with predator switching, survival of leafhoppers increased in the presence of aquatic subsidies. By contrast, the presence of aquatic subsidies indirectly reduced weevils and herbivory.
In chapter 3, I present the results on the taxonomic and trait response of riparian spider communities to gradients of agricultural stressors and environmental variables, with a particular emphasis on pesticides. To capture spiders with different traits and survival strategies, we used multiple collection methods. Spider community composition was best explained by in-stream pesticide toxicity and shading of the stream bank, a proxy for the quality of the habitat. Species richness and the number of spider individuals, as well as community ballooning ability, were negatively associated with in-stream pesticide toxicity. In contrast, mean body size and shading preference of spider communities responded strongest to shading,
whereas mean niche width (habitat preference for moisture and shading) responded strongest to other environmental variables.
In chapter 4, I describe aquatic-terrestrial predator-prey relations with gradients of agricultural stressors and environmental variables. I sampled spiders, as well as their aquatic and terrestrial prey along streams with an assumed pesticide pollution gradient and determined their stable carbon and nitrogen signals. Potential aquatic prey biomass correlated positively with an increasing aquatic prey contribution of T. montana. The contribution of aquatic prey to the diet of P. amentata showed a positive relationship with increasing toxicity in streams.
Overall, this thesis contributes to the emerging discipline of cross-ecosystem ecology and shows that aquatic-terrestrial linkages and riparian food webs can be influenced by land use related stressors. Future manipulative field studies on aquatic-terrestrial linkages are required that consider the quality of prey organisms, fostering mechanistic understanding of such crossecosystem effects. Knowledge on these linkages is important to improve understanding of consequences of anthropogenic stressors and to prevent further losses of ecosystems and their biodiversity.
In einem Großteil der Welt wird Grundwasser für die Versorgung von Siedlungen und Agrarflächen genutzt. Organismen, die im Grundwasser leben, erfüllen wichtige Funktionen im Ökosystem und haben positiven Einfluss auf die Grundwasserqualität. Um das Risiko negativer Effekte auf diese wertvollen Ökosysteme zu minimieren muss die entsprechende Sanierungsmethode, im Falle einer Grundwasserbehandlung, mit Vorsicht gewählt werden. In der vorliegenden Thesis wurde das Umweltrisiko von Carbo-Iron untersucht, ein Komposit aus nanoskaligem null-valentem Eisen und Aktivkohle zur in situ-Behandlung von Grundwasser. Des Weiteren wurde eine umfassende Beurteilung des Umweltrisikos und des Nutzens einer Grundwasserbehandlung mit Carbo-Iron durchgeführt.
Zu Beginn der Arbeit an der vorliegenden Thesis existierten noch keine Empfehlungen für Untersuchung der Ökotoxizität von Nanomaterialien. Daher bestanden viele Unsicherheiten hinsichtlich geeigneter Methoden. Im Rahmen dieser Thesis wurde eine Entscheidungshilfe entwickelt, um bei der ökotoxikologischen Untersuchung von Nanomaterialien systematisch geeignete methodische Schritte auszuwählen.
Mögliche Effekte von Carbo-Iron wurden in Tests mit embryonalen, juvenilen und adulten Lebensstadien des Zebrabärblings (Danio rerio) und juvenilen und adulten Amphipoden (Hyalella azteca) untersucht. Die gewählten Testsysteme basierten auf existierenden Testmethoden der OECD und EPA zur ökotoxikologischen Untersuchung von Chemikalien (OECD, 1992a, 2013a, 2013b; US EPA, 2000). Zusätzlich wurde die Aufnahme der Partikel in die genannten Testorganismen untersucht. In Zebrabärblingsembryonen wurden außerdem potentielle Effekte auf die Genexpression mittels Microarrays ermittelt. Die erhaltenen Daten wurden später mit Ergebnissen aus Tests mit dem Wasserfloh Daphnia magna, der Alge Scenedesmus vacuolatus, Larven der Mücke Chironomus riparius und nitrifizierenden Bodenmikroorganismen ergänzt.
In dem Fischembryotoxizitätstest wurde keine Passage der Carbo-Iron-Partikel durch das Chorion in den perivitellinen Raum oder den Embryo beobachtet. Nach der Exposition wurde Carbo-Iron im Darm von H. azteca und D. rerio, aber keinem anderen Gewebe oder Organen detektiert. Carbo-Iron hatte keine signifikanten Effekte auf die Nitrifikationsrate der Bodenmikroorganismen sowie Überleben und Wachstum des Zebrabärblings. Dennoch wurden signifikant negative Effekte auf Wachstum, Fütterungsrate und Reproduktion von H. azteca und auf das Überleben und die Reproduktion von D. magna festgestellt. Des Weiteren war die Entwicklungsrate von C. riparius und das Zellvolumen von S. vacuolatus negativ beeinflusst.
Anhand der durchgeführten Studien wurde basierend auf dem Ergebnis des Reproduktionstests mit D. magna und einem assessment factor von 10 für Carbo-Iron eine predicted no effect concentration von 0,1 mg/L ermittelt. Diese wurde mit modellierten und gemessenen Umweltkonzentrationen von Carbo-Iron verglichen die in einer Studie erhoben wurden, in denen Carbo-Iron zur Behandlung eines mit Chlorkohlenwasserstoffen kontaminierten Aquifers eingesetzt wurde, und Risiko-Quotienten wurden abgeleitet. Zur gesamtheitlichen Betrachtung wurde anschließend ein Schema zur Bewertung des Umweltrisikos vor und nach der Behandlung des Aquifers mit Carbo-Iron entwickelt. Die erhobenen Daten weisen auf ein reduziertes Umweltrisiko nach der Applikation von Carbo-Iron hin. Dementsprechend überwiegen die Vorteile einer Grundwasserbehandlung mit Carbo-Iron die potentiellen negativen Effekte auf die Umwelt.
Sediment transport contributes to the movement of inorganic and organic material in rivers. The construction of a dam interrupts the continuity of this sediment transport through rivers, causing sediments to accumulate within the reservoir. Reservoirs can also act as carbon sinks and methane can be released when organic matter in the sediment is degraded under anoxic conditions. Reservoir sedimentation poses a great threat to the sustainability of reservoirs worldwide, and can emit the potent greenhouse gas methane into the atmosphere. Sediment management measures to rehabilitate silted reservoirs are required to achieve both better water quantity and quality, as well as to mitigate greenhouse gas emissions.
This thesis aims at the improvement of sediment sampling techniques to characterize sediment deposits as a basis for accurate and efficient water jet dredging and to monitor the dredging efficiency by measuring the sediment concentration. To achieve this, we investigated freeze coring as a method to sample (gas-bearing) sediment in situ. The freeze cores from three reservoirs obtained were scanned using a non-destructive X-Ray CT scan technique. This allows the determination of sediment stratification and character-ization of gas bubbles to quantify methane emissions and serve as a basis for the identi-fication of specific (i.e. contaminated) sediment layers to be dredged. The results demon-strate the capability of freeze coring as a method for the characterization of (gas-bearing) sediment and overcomes certain limitations of commonly used gravity cores. Even though the core’s structure showed coring disturbances related to the freezing process, the general core integrity seems to not have been disturbed. For dredging purposes, we analyzed the impact pressure distribution and spray pattern of submerged cavitating wa-ter jets and determined the effects of impinging distances and angles, pump pressures and spray angles. We used an adapted Pressure Measurement Sensing technique to enhance the spatial distribution, which proved to be a comparatively easy-to-use meas-urement method for an improved understanding of the governing factors on the erosional capacity of cavitating water jets. Based on this data, the multiple linear regression model can be used to predict the impact pressure distribution of those water jets to achieve higher dredging accuracy and efficiency. To determine the dredging operational efficien-cy, we developed a semi-continuous automated measurement device to measure the sediment concentration of the slurry. This simple and robust device has lower costs, compared to traditional and surrogate sediment concentration measurement technolo-gies, and can be monitored and controlled remotely under a wide range of concentrations and grain-sizes, unaffected by entrained gas bubbles
While the existing literature on cooperative R&D projects between firms and public research institutes (PRI) has made valuable contributions by examining various factors and their influence on different outcome measures, there has been no investigation of cooperative R&D project success between firms and PRI from a product competitive advantage perspective. However, insights into the development of a meaningful and superior product (i.e., product competitive advantage) are particularly important in the context of cooperative R&D projects between PRI and (mainly small and medium-sized) firms in the biotechnology industry in response to increasing competition to raise capital funds necessary for survival.
The objectives of this thesis are: (1) to elaborate the theoretical foundations which explain the achievement of a product competitive advantage in cooperative R&D projects between biotechnology firms and PRI, (2) to identify and empirically evaluate the determining factors for achieving a product competitive advantage in cooperative R&D projects between biotechnology firms and PRI, and (3) to show how cooperative R&D projects between biotechnology firms and PRI should be designed and executed to support the achievement of a product competitive advantage.
To accomplish these objectives, a model of determinants of product competitive advantage in cooperative R&D projects between biotechnology firms and PRI is developed by drawing from the theoretical foundations of resource-based theory and information-processing theory. The model is evaluated using data from 517 questionnaires on cooperative R&D projects between at least one biotechnology firm and one PRI. The data are analyzed using variance-based structural equation modeling (i.e., PLS-SEM) in order to conduct hypotheses testing. The evaluation of the empirical data includes an additional mediation analysis and the comparison of effects in subsamples.
The results demonstrate the importance of available resources and skills, as well as the proficient execution of marketing-related and technical activities for the achievement of a product competitive advantage in cooperative R&D projects between biotechnology firms and PRI. By identifying project-related and process-related factors affecting product competitive advantage and empirically testing their relationships, the research findings should be valuable for both researchers and practitioners. After discussing contributions and implications for research and practice, the present thesis concludes with limitations and avenues for future research.
In Agrarlandschaften zählen Laufkäfer zu den weit verbreiteten Fressfeinden verschiedener Schädlinge, wie etwa von Nacktschnecken. Einflüsse von naturnahen Randstrukturen auf Laufkäfer und deren Potenzial zur natürlichen Schädlingsbekämpfung sind bekannt.
Der Einfluss von naturnahen Randstrukturen wurde auf randstrukturbewohnende Laufkäfer und Schnecken untersucht (Kapitel 2). Die Mehrzahl an Laufkäfern sowie Deroceras reticulatum präferierten Krautsäume, wohingegen Arion spp. vor allem in Gehölzen vorkam. Steigende Abundanzen von räuberischen Laufkäferarten und abnehmende Zahlen von Arion spp., gefördert durch einen hohen Anteil an Randstrukturen, lassen auf ein erhöhtes Potenzial zur Schneckenbekämpfung in strukturreichen Landschaften schließen.
Der Einfluss von naturnahen Randstrukturen wurde auf räuberische Laufkäfer und Schnecken in 18 Weizenfeldern getestet (Kapitel 3). Der Artenreichtum an karnivoren Laufkäfern stieg zusammen mit dem Anteil an Randstrukturen in der Landschaft, wobei deren Abundanz von kleinräumigen Effekten unbeeinflusst blieb. Die beiden Schädlinge zeigten unterschiedliche Muster, wobei Dichten von Arion spp. an Gehölzen in strukturarmen Landschaften am höchsten waren. D. reticulatum wurde weder durch lokale noch von großräumigen Effekten beeinflusst, was auf ihre Anpassung an Agrarlandschaften zurückzuführen ist. Die Ergebnisse lassen auf eine gesteigerte Kontrolle von Arion spp. durch Laufkäfer in strukturreichen Gebieten schließen.
Effekte von Randstrukturen und Bewirtschaftung wurden auf die Verteilung von Laufkäfern in 18 Kürbisfeldern getestet (Kapitel 4). Der Artenreichtum stieg mit Nähe zu den Randstrukturen, wobei Laufkäferabundanzen je nach Habitattyp unterschiedlich beeinflusst wurden. Die Bewirtschaftungsart hatte keinen Einfluss auf Laufkäfer und Landschaftsheterogenität beeinflusste nur Laufkäfer in ökologisch bewirtschafteten Feldern.
Prädationsexperimente von Schnecken und deren Eiern durch drei Laufkäferarten wurden im Labor in Einzel- und Zweierkonstellationen durchgeführt (Kapitel 5). Je nach Art wurden synergistische und additive Effekte gemessen. Generell erhöhen naturnahe Randstrukturen das Potenzial zur Schneckenbekämpfung durch Laufkäfer, was vor allem für Schnecken der Gattung Arion zählt. Es ist wichtig, einen bestimmten Anteil an naturnahen Randstrukturen in Agrarlandschaften bereitzustellen, da sie als Rückzugs-, Eiablage- und Überwinterungsorte fungieren und komplementäre Nahrungsressourcen bereitstellen.
Previous research revealed that teachers hold beliefs about gifted students combining high intellectual ability with deficits in non-cognitive domains, outlined in the so-called disharmony hypothesis. Since teachers’ beliefs about giftedness can influence which students they identify as gifted, the empirical investigation of beliefs is of great practical relevance. This dissertation comprises three research articles that investigated teacher beliefs about gifted students’ characteristics in samples of pre-service teachers using an experimental vignette approach. Chapter I starts with a general introduction into beliefs, and presents the research aims of the present dissertation. The first article (Chapter II) focused on the interaction of beliefs about giftedness and gender in a sample of Australian pre-service teachers and tested if social desirability occurred when using the vignette design. Beside evidence for beliefs in line with the disharmony hypothesis, results revealed typical gender stereotypes. However, beliefs about giftedness appeared not to be gender specific and thus, to be similar for gifted girls and boys. The vignette approach was found to be an adequate design for assessing teacher beliefs. The second article (Chapter III) investigated teacher beliefs and their relationship to motivational orientations for teaching gifted students in a cross-country sample of German and Australian pre-service teachers. Motivational orientations comprise cognitive components (self-efficacy) and affective components (enthusiasm). Findings revealed beliefs in the sense of the disharmony hypothesis for pre-service teachers from both countries. Giftedness when paired with beliefs about high maladjustment was found to be negatively related to teachers’ self-efficacy for teaching gifted students. The third article (Chapter IV) examined the role of teachers’ belief in a just world for the formation of beliefs using a sample of Belgian pre-service teachers. It was found that the stronger pre-service teachers’ belief in a just world was, the more they perceived gifted students’ high intellectual ability as unfair and thus, neutralized that injustice by de-evaluating students’ non-cognitive abilities. In a general discussion (Chapter V), findings of the three articles are combined and reflected. Taken together, the present dissertation showed that teacher beliefs about gifted students’ characteristics are not gender specific, generalizable over countries, negatively related to teacher motivation and can be driven by fairness beliefs.
Seit der Domestizierung von Wein vor über 6000 Jahren haben Weinbauern mit Krankheiten und Schädlingen ihrer Pflanzen zu kämpfen. Seitdem führen neue Anbaumethoden und ein besseres Verständnis der ökologischen Prozesse im Weinberg zu wachsenden Erträgen und steigender Traubenqualität. In dieser Arbeit beschreibe ich die Effekte zweier innovativer Anbaumethoden auf Schädlinge und Nützlinge im Weinbau; Pilzwiderstandsfähige Sorten (PIWIs) und das Reberziehungssystem Minimalschnitt im Spalier (SMPH). SMPH erlaubt eine drastische Reduktion des Arbeitsaufwands im Weinberg. PIWIs sind resistent gegenüber zwei der destruktivsten Pilzkrankheiten der Rebe und bleiben daher bei deutlich weniger Pflanzenschutzbehandlungen als herkömmliche Sorten gesund. Übermäßiger Gebrauch von Pestiziden wird mit einer Reihe von Problemen wie Gewässerverschmutzung, Gesundheitsfolgen beim Menschen, und Biodiversitätsverlust in Verbindung gebracht. In dieser Arbeit wurden Effekte von reduzierten Fungizid Spritzungen auf Nützlinge wie Raubmilben, Spinnen, Ameisen, Ohrwürmer und Florfliegen untersucht. Diese Gruppen profitierten entweder von den reduzierten Fungizidmengen, oder sie wurden nicht signifikant beeinflusst. Strukturelle Unterschiede in der SMPH Laubwand beeinflussten das Mikroklima im Vergleich zur Spaliererziehung. Sowohl strukturelle als auch mikroklimatische Veränderungen beeinflussten einige Arthropodengruppen im Wein.
Insgesamt lässt sich Schlussfolgern, dass sowohl PIWI Sorten als auch das Schnittsystem SMPH ein großes Potential haben, die Bedingungen für natürliche Schädlingskontrolle zu verbessern. Dies reiht sich in eine Liste anderer Vorteile dieser Managementmethoden, wie zum Beispiel eine Reduktion der Produktionskosten und verbesserte Nachhaltigkeit.
Invasive species often have a significant impact on the biodiversity of ecosystems and the species native to it. One of the worst invaders worldwide is Aphanomyces astaci, the causative agent of the crayfish plague, an often fatal disease to crayfish species not native to North America. Aphanomyces astaci originates from North America and was introduced to Europe in the midst of the 19th century. Since then, it spread throughout Europe diminishing the European crayfish populations. The overall aim of this thesis was to evaluate the threat that A. astaci still poses to European crayfish species more than 150 years after its introduction to Europe. In the first part of the thesis, crayfish specimens, which are available in the German pet trade, were tested for infections with A. astaci. Around 13% of the tested crayfish were clearly infected with A. astaci. The study demonstrated the potential danger the pet trade poses for biodiversity through the import of alien species and their potential pathogens, in general. In the second part of the thesis, the A. astaci infection prevalence of crayfish species in wild populations in Europe was tested. While the stone crayfish, Austropotamobius torrentium, showed high susceptibility to different haplogroups of A. astaci, the narrow-clawed crayfish, Astacus leptodactylus, was able to survive infections, even by haplogroup B, which is considered to be highly virulent. In the last part of the thesis, A. astaci was traced back to its original distribution area of North America. While the crayfish plague never had such a devastating effect on crayfish in North America as it had in Europe, the reasons for the success of invasive crayfish within North America are not yet fully understood. It is possible that A. astaci increases the invasion success of some crayfish species. Several populations of the rusty crayfish, Orconectes rusticus, in the Midwest of North America were confirmed to be infected with A. astaci and a new genotype was identified, possibly indicating that each crayfish host is vector of a unique A. astaci genotype, even in North America. Overall, the present thesis provides evidence that A. astaci is still a major threat to the crayfish species indigenous to Europe. Crayfish mass mortalities still occur in susceptible crayfish species like A. torrentium even 150 years after the first introduction of A. astaci. While there are some indications for increased resistances through processes of co-evolution, the continuous introduction of crayfish species to Europe threatens to cause new outbreaks of the crayfish plague through the parallel introduction of new, highly virulent A. astaci strains.
Student misbehavior and its treatment is a major challenge for teachers and a threat to their well-being. Indeed, teachers are obliged to punish student misbehavior on a regular basis. Additionally, teachers’ punishment decisions are among the most frequently reported situations when it comes to students’ experiences of injustice in school. By implication, it is crucial to understand teachers’ treatment of student misbehavior vis-à-vis students’ perceptions. One key dimension of punishment behavior reflects its underlying motivation and goals. People generally intend to achieve three goals when punishing misbehavior, namely, retribution (i.e., evening out the harm caused), special prevention (i.e., preventing recidivism of the offender), and general prevention (i.e., preventing imitation of others). Importantly, people’s support of these punishment goals is subject to hierarchy and power, implying that teachers’ and students’ punishment goal preferences differ. In this dissertation, I present three research projects that shed first light on teachers’ punishment and its goals along with the students’ perception of classroom intervention strategies pursuing these goals. More specifically, I first examined students’ (i.e., children’s) general support of each of the three punishment goals sketched above. Furthermore, I applied an attributional approach to understand and study the goals teachers intend to achieve when punishing student misbehavior. Finally, I investigated teachers’ and students’ support of the punishment goals regarding the same student misbehavior to directly compare their views on these goals and reactions pursuing them. In sum, the findings show that students generally prefer retribution and special prevention to general prevention, whereas teachers prefer general prevention and special prevention to retribution. This ultimately translates into a "mismatch" of teachers and students in their preferences for specific punishment goals, and the findings suggest that this may indeed enhance students’ perception of injustice. Overall, the results of the present research program may be valuable for the development of classroom intervention strategies that may reduce rather than enhance conflicts in student-teacher-interactions.
Engineering criminal agents
(2019)
Die Dissertation mit dem Titel "Engineering Criminal Agents" demonstriert das Zusammenspiel von drei verschiedenen Forschungsbereichen, die bereits im Titel genannt sind: Im Mittelpunkt stehen Engineering (d.h. ingenieurmäßiges Vorgehen bei der Erstellung von Systemen) und Simulation, während beide Bereiche im Kontext des Anwendungsfeldes Kriminologie (und auch den damit verbundenen sozialwissenschaftlichen Aspekten) angewandt werden. Konkreter gesagt, Ziel der Arbeit ist es, zu zeigen, wie spezifische Arten von agentenbasierten Simulationsmodellen unter Berücksichtigung und Anwendung von Methoden der Softwareentwicklung erstellt werden können.
Agentenbasierte Simulation hat sich seit Jahrzehnten als nützliche Methode der Sozialwissenschaften bewährt, und ein Trend zu komplexen Simulationsmodellen ist wahrnehmbar, nicht zuletzt aufgrund der Fortschritte in Datenverarbeitungs- und Simulationstechniken. Eine bedeutende Ursache für Modellkomplexität ist die Einbeziehung von 'Belegmaterialien' als Grundlage von Simulationsmodellen. Solche Belegmaterialien können durch mehrere Stakeholder bereitgestellt werden und dabei deren unterschiedliche Sichtweisen auf einen Modellierungsgegenstand widerspiegeln.
Dabei ergeben sich spezifische Problemstellungen für das Zusammenspiel der beiden hier relevanten Perspektiven auf das Thema Simulation: auf der einen Seite der Benutzer des Simulationsmodells, der die Anforderungen liefert und an den Simulationsergebnissen interessiert ist; auf der anderen Seite der Modellentwickler, der ein verifiziertes und validiertes formales Modell programmieren muss. Um diese beiden Perspektiven systematisch zusammenzubringen, ist substantieller Aufwand in Forschung und Entwicklung erforderlich, wo die vorliegende Dissertation einen Beitrag zu leisten beabsichtigt.
Die in dieser Arbeit erzielten praktischen Ergebnisse - in Form von Software - wurden durch eine bereichsübergreifende Herangehensweise erreicht: Durch die Verwendung von Methoden der Softwareentwicklung konnten Methoden der computergestützten Sozialwissenschaften benutzt werden, um am Ende Einblicke in soziale Systeme - wie die internen Dynamiken von kriminellen Netzwerken - zu ermöglichen.
Die vorliegende Dissertation zeigt die Forschungstätigkeiten, die für die Erzielung der Ergebnisse herangezogen wurden, sowie liefert Details und Spezifikationen zur erstellten Software.
Rahmen für diese Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten waren in erster Linie zwei Forschungsprojekte: OCOPOMO und GLODERS.
Nanotemplates for the combined structural and functional analysis of membrane-associated proteins
(2019)
Die Inkubation von unilamellaren Lipid-Vesikeln mit einem als BPG bezeichneten Abschnitt des Proteins GRAF1 führte zur Entstehung von röhrenförmigen Strukturen. Eine Untersuchung mittels negativkontrastierter Elektronenmikroskopie zeigte eine körnige Beschichtung auf der Röhrenoberfläche. Durch die höhere Auflösung der Elektronentomographie war es möglich, helikale Oligomere auf den Röhren zu erkennen. Des Weiteren zeigte sich, dass die Röhren im Durchmesser inhomogen waren und Biegungen aufwiesen. Das hatte ebenfalls Unregelmäßigkeiten in der Ordnung der helikalen Struktur zur Folge. Das Herstellungsverfahren von unilamellaren Vesikeln mittels Extruder wurde so modifiziert, dass es anstatt von Vesikeln Nanoröhren entstehen ließ. Im Gegensatz zu den Röhren, die das Protein formte, wiesen diese eine lineare Struktur mit konstantem Durchmesser auf. Trotz der Inkubation mit BPG behielten diese ihre homogene Form und zeigten nun eine geordnete helikale Beschichtung auf ihrer Oberfläche. Allerdings waren sie nicht hoch genug konzentriert für die Kryoelektronenmikroskopie, und eine reine Erhöhung der Lipidkonzentration führte nicht zu einer höhren Anzahl von Röhren, sondern zu Lipidaggregation. Weitere Experimente zeigten, dass die Chelatliganden EDTA und EGTA in der Pufferlösung zur Entstehung unilamellarer Vesikel führten. Da EDTA und EGTA die Metallionen Mg2+ und Ca2+ absorbieren, wurden weitere Tests mit neuen Pufferlösungen durchgeführt. Zur Absorption bereits vorhandener Metallionen wurden beide Chelatliganden hinzugegeben und eine Variante mit zusätzlichem Magnesiumchlorid und eine weitere mit zusätzlichem Calciumchlorid hergestellt. Es wurde gezeigt, dass Magnesiumchlorid unilamellare Vesikel zur Folge hatte und Calciumchlorid zu einer höhren Konzentration der Nanoröhren führte. Daraus wurde geschlossen, dass Calciumionen die Enstehung von Nanoröhren fördern. Zur weiteren Optimierung der Konzentration wurde eine Varianzanalyse (CCD) der einflussreichsten Variablen im Extrusionsprozess durchgeführt:
- Eine höhere Anzahl von Frier-Tau-Zyklen zur Unterdrückung multilamellarer Vesikel hatte einen positiven Einfluss.
- Es konnte keine Korrelation zwischen der Extrudertemperatur und der Konzentration von Nanoröhren nachgewiesen werden.
- Mehr Extrusionszyklen hatten eine höhere Nanoröhrenkonzentration zur Folge.
Durch das optimierte Protokoll war die Konzentration hoch genug für die Kryoelektronenmikroskopie und eine helikale Rekonstruktion. Dennoch war eine 2D-Klassifizierung nicht erfolgreich, da die Nanoröhren im aufgenommenen Datensatz nicht homogen genug im Durchmesser waren und zudem eine unterschiedliche Anzahl an multilamellaren Rändern aufwiesen. Aus diesem Grund wurde ein Skript entwickelt, das die Röhren nach ihrem Durchmesser sortiert. Mit einer Untermenge des Datensatzes, dessen Röhren einen ähnlichen Durchmesser hatten, wurde eine weitere 2D-Klassifizierung durchgeführt. Daraus resultierten schließlich 2D-Klassen der helikalen Oberflächenstruktur.
In this thesis, I present the results of my studies on taxonomy, systematics, and biogeography of Impatiens (Balsaminaceae) in Madagascar and the Comoro islands.
In Chapter 1 I reviewed the literature on taxonomy and classification of Balsaminaceae, on habitat, world distribution, morphology, molecular phylogenetics and infrageneric classification of the genus Impatiens. In Chapters 2-15 (Fischer & Rahelivololona 2002, 2003, 2004, 2007, 2015a, 2015b, 2015c, 2016, Fischer et al. 2004. 2017, 2018a, b submitted, Rahelivololona et al. 2003) I presented the first results of a revision of Balsaminaceae of Madagascar and the Comoro islands including the description of 78 new species. In Chapter 16 (Yuan et al. 2004) we worked on the phylogeny and biogeography of Balsaminaceae inferred from ITS sequences using combined results from molecular phylogenetic and morphological analyses. In Chapter 17 (Rahelivololona et al. 2018) we conducted a phylogeny and assessment of the infrageneric classification of species in the Malagasy Impatiens (Balsaminaceae) with a particular emphasis on taxa collected from Marojejy.
Below I summarise the most important findings of each chapter and provide an outlook for future studies.
How many species of Impatiens occur in Madagascar and the Comoro islands?
To provide additional information on the taxonomic revision of Impatiens in Madagascar and the Comoro islands, the identification of already described species as well as the description of new species was conducted. Based on herbarium specimens from BR, G, K, NEU, P, TAN and on living plants collected during several field trips, 78 new species and 6 nomina nova have been published and another 70 new taxa are already identified. Actually more than 260 species occur in Madagascar and the Comoro islands and all of them are endemic. For each species, a description of the morphology, phenology, ecology and known distribution range was provided. Apart from new taxa, the delimitation of already described species like Impatiens firmula Baker and Impatiens hildebrandtii Baill. could be clarified by studying the types and by observing the variability in the field.
Are the groups of Impatiens in Madagascar monophyletic, and what is the systematic position of Trimorphopetalum?
Yuan & al. (2004) conducted a molecular phylogenetic study to examine the morphological and karyological evolution, and the historical biogeography of the Balsaminaceae family by using nucleotide sequence data of internal transcribed spacer regions of nuclear ribosomal DNA. The results support the monophyly of the Malagasy endemic section Trimorphopetalum and show that the cleistogamous Impatiens inaperta should be included in the sect. Trimorphopetalum which is the most derived within Impatiens. Therefore, the section Preimpatiens proposed by Perrier de la Bâthie (1934) is paraphyletic.
Rahelivololona & al. (2018) provided a phylogenetic study focused on three subdivisions (based on macromorphological characters) proposed by Perrier de la Bâthie (1934). The analysis was done using two nuclear AP3/DEF homologues (ImpDEF1 and ImpDEF2) and the plastid atpB-rbcL spacer to reassess or assess the monophyly of the Malagasy Impatiens, of the sections Preimpatiens (Humblotianae and Vulgare groups) and Trimorphopetalum. A focus was on the species of Impatiens from the Marojejy National Park and of the morphologically variable species I. elatostemmoides, I. “hammarbyoides”, I. inaperta and I. manaharensis, using monophyly as the primary criterion.
As results the Malagasy Impatiens are paraphyletic and the section Preimpatiens sensu Perrier de la Bâthie (1934) (= subgen. Impatiens sensu Fischer & Rahelivololona 2002) was not resolved as a monophyletic group. The section Trimorphopetalum sensu Perrier de la Bâthie (1934) (= subgen. Trimorphopetalum sensu Fischer & Rahelivololona 2002), however, was strongly confirmed as a monophyletic lineage (BS: 92; BPP: 1). Neither the Humblotianae group nor the Vulgare group was supported as monophyletic. None of the morphologically variable species appeared to be monophyletic and the sampled species of Impatiens from the Marojejy National Park do also not form a monophyletic group.
What are the biogeographical position and the distribution patterns of Impatiens in Madagascar and the Comoro islands?
Investigation of the geographical affinities and species distribution of section Impatiens (including Humblotianae group and Vulgare group) and section Trimorphopetalum were conducted and the origin and evolution as well as species richness and endemism were discussed.
The isolation, the climate and the complex topography of Madagascar have generated the microhabitats and ecological niches favourable to the diversification of Impatiens species. Impatiens of Madagascar with 260 endemic species is actually the largest genus in Madagascar. Therefore, Madagascar and the Comoro islands are among the most species-rich regions in the world for Impatiens.
Future studies
In Impatiens on Madagascar, there remain numerous unresolved questions that need to be adressed:
• A further study based on a much larger molecular data set and sampling from the entire geographic ranges of Impatiens in Madagascar is needed to retest the monophyly of the different subgenera and sections, as well as a molecular dating of the Malagasy Impatiens.
• The study of pollinators as a key for understanding the radiation and species richness is required: Within Impatiens the different shapes of spur are related to pollinators (bees, birds, butterflies and moths). Therefore pollinator observation of specific species need to be done to understand the radiation of species by adaptation and coevolution with these pollinators. A pollination study with a large number of species within section Trimorphopetalum will help to understand the mechanism of complete disappearance of the spur, the shift of pollinators and the evolution of species richness.
• The destruction of the natural habitats of Impatiens and the subsequent reduction of humidity in logged area constitute a severe threat for the survival of many species. The conservation and reforestation of vulnerable areas such as Ankaratra, Daraina, Mandraka and Col des Tapia near Antsirabe is required.
• In terms of conservation and to mitigate the threat on the genus, a study on the ex-situ-conservation of Malagasy Impatiens species is very important as long as some species are suitable for horticultural purposes (e.g. Impatiens mayae-valeriae, Impatiens emiliae and species with broad red spur).
• Finally, the publication of the revision of Impatiens of Madagascar and the Comoro islands will help other botanists to identify the species and will thus increase our knowledge on the group.
Lakes and reservoirs are important sources of methane, a potent greenhouse gas. Although freshwaters cover only a small fraction of the global surface, their contribution to global methane emission is significant and this is expected to increase, as a positive feedback to climate warming and exacerbated eutrophication. Yet, global estimates of methane emission from freshwaters are often based on point measurements that are spatio-temporally biased. To better constrain the uncertainties in quantifying methane fluxes from inland waters, a closer examination of the processes transporting methane from sediment to atmosphere is necessary. Among these processes, ebullition (bubbling) is an important transport pathway and is a primary source of uncertainty in quantifying methane emissions from freshwaters. This thesis aims to improve our understanding of ebullition in freshwaters by studying the processes of methane bubble formation, storage and release in aquatic sediments. The laboratory experiments demonstrate that aquatic sediments can store up to ~20% (volumetric content) gas and the storage capacity varies with sediment properties. The methane produced is stored as gas bubbles in sediment with minimal ebullition until the storage capacity is reached. Once the sediment void spaces are created by gas bubble formation, they are stable and available for future bubble storage and transport. Controlled water level drawdown experiments showed that the amounts of gas released from the sediment scaled with the total volume of sediment gas storage and correlated linearly to the drop in hydrostatic pressure. It was hypothesized that not only the timing of ebullition is controlled by sediment gas storage, but also the spatial distribution of ebullition. A newly developed freeze corer, capable of characterizing sediment gas content under in situ environments, enabled the possibility to test the hypothesis in a large subtropical lake (Lake Kinneret, Israel). The results showed that gas content was variable both vertically and horizontally in the lake sediment. Sediment methane production rate and sediment characteristics could explain these variabilities. The spatial distribution of ebullition generally was in a good agreement with the horizontal distribution of depth-averaged (surface 1 m) sediment gas content. While discrepancies were found between sediment depth-integrated methane production and the snapshot ebullition rate, they were consistent in a long term (multiyear average). These findings provide a solid basis for the future development of a process-based ebullition model. By coupling a sediment transport model with a sediment diagenetic model, general patterns of ebullition hotspots can be predicted at a system level and the uncertainties in ebullition flux measurements can be better constrained both on long-term (months to years) and short-term (minutes to hours) scales.
Kleine Bäche umfassen den größten Teil der Fließstrecke und des Einzugsgebiets in Gewässernetzen. Sie sind eng mit ihrem Einzugsgebiet verbunden und reagieren empfindlich auf Änderungen des Wasserhaushalts und der Landnutzung. Trotz ihrer geringen wirtschaftlichen Bedeutung sind diese Bäche entscheidend für den ökologischen und chemischen Zustand größerer Gewässer. Obwohl zahlreiche Studien die Auswirkungen anthropogener Stressoren oder Umweltveränderungen untersuchen, mangelt es am Verständnis der natürlichen Bedingungen und Prozesse, welche jedoch die Reaktion eines Baches auf anthropogene oder klimatische Veränderungen entscheidend beeinflussen. Eine der größten Bedrohungen für aquatische Ökosysteme ist der übermäßige anthropogene Eintrag von Nährstoffen. Nährstoffe steuern Nahrungsnetze in erster Linie über die Primärproduzenten und ihre Konsumenten, in kleinen Bächen Periphyton und Grazer. Die Periphyton-Grazer-Interaktion ist der Hauptpfad der autochthonen Produktion in das Nahrungsnetz, und die Stärke dieser Interaktion bestimmt weitgehend die ökologischen Auswirkungen von Nährstoff-einträgen. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, wichtige biologische Prozesse der Periphyton-Grazer-Interaktionen zu beleuchten. Ich untersuchte verschiedene Aspekte der Periphyton-Grazer-Interaktionen anhand von Laborexperimenten mit Fokus auf methodischen Fragen und einer Feldstudie, in der ich die benthischen Gemeinschaften drei morphologisch ähnlicher, Phosphor limitierter, natürlicher kleiner Bächen verglich. Mit dem Laborexperiment zur Periphyton-Wachstumsrate konnte ich zeigen, dass das RNA/DNA-Verhältnis von Periphyton als Proxy für dessen Wachstumsrate in kontrollierten Experimenten verwendet und somit dieser wichtigen Prozesses in ökotoxikologische oder ökologische Experimente einbezogen werden kann. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die Fettsäurezusammensetzung von Eintagsfliegen-larven auf Veränderungen der in der Nahrung enthaltenen Fettsäuren innerhalb von zwei Wochen reagiert. Diese schnelle Anpassung der Fettsäurezusammensetzung der Konsumenten zeigt, dass selbst kurzfristige Änderungen der verfügbaren Primärproduzenten wichtige Auswirkungen auf die Versorgung höherer trophischer Ebenen mit physiologisch wichtigen mehrfach ungesättigten Fettsäuren haben. Mit den Ergebnissen der Feldstudie habe ich Lücken im Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Phosphorverfügbarkeit im Einzugsgebiet und im Bach unter naturnahen Bedingungen aufgedeckt und gezeigt, dass scheinbar vergleichbare Bäche signifikant unterschiedliche benthische Gemeinschaften aufweisen. Diese Unterschiede wirken sich höchstwahrscheinlich auf die Reaktion der Bäche auf zukünftige Änderungen aus.
Navigation is a natural way to explore and discover content in a digital environment. Hence, providers of online information systems such as Wikipedia---a free online encyclopedia---are interested in providing navigational support to their users. To this end, an essential task approached in this thesis is the analysis and modeling of navigational user behavior in information networks with the goal of paving the way for the improvement and maintenance of web-based systems. Using large-scale log data from Wikipedia, this thesis first studies information access by contrasting search and navigation as the two main information access paradigms on the Web. Second, this thesis validates and builds upon existing navigational hypotheses to introduce an adaptation of the well-known PageRank algorithm. This adaptation is an improvement of the standard PageRank random surfer navigation model that results in a more "reasonable surfer" by accounting for the visual position of links, the information network regions they lead to, and the textual similarity between the link source and target articles. Finally, using agent-based simulations, this thesis compares user models that have a different knowledge of the network topology in order to investigate the amount and type of network topological information needed for efficient navigation. An evaluation of agents' success on four different networks reveals that in order to navigate efficiently, users require only a small amount of high-quality knowledge of the network topology. Aside from the direct benefits to content ranking provided by the "reasonable surfer" version of PageRank, the empirical insights presented in this thesis may also have an impact on system design decisions and Wikipedia editor guidelines, i.e., for link placement and webpage layout.