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The work presented in this thesis investigated interactions of selected biophysical processes that affect zooplankton ecology at smaller scales. In this endeavour, the extent of changes in swimming behaviour and fluid disturbances produced by swimming Daphnia in response to changing physical environments were quantified. In the first research question addressed within this context, size and energetics of hydrodynamic trails produced by Daphnia swimming in non-stratified still waters were characterized and quantified as a function of organisms’ size and their swimming patterns.
The results revealed that neither size nor the swimming pattern of Daphnia affects the width of induced trails or dissipation rates. Nevertheless, as the size and swimming velocity of the organisms increased, trail volume increased in proportional to the cubic power of Reynolds number, and the biggest trail volume was about 500 times the body volume of the largest daphnids. Larger spatial extent of fluid perturbation and prolonged period to decay caused by bigger trail volumes would play a significant role in zooplankton ecology, e.g. increasing the risk of predation.
The study also found that increased trail volume brought about significantly enhanced total dissipated power at higher Reynolds number, and the magnitudes of total dissipated power observed varied in the range of (1.3-10)X10-9 W.
Furthermore, this study provided strong evidence that swimming speed of Daphnia and total dissipated power in Daphnia trails exceeded those of some other selected zooplankton species.
In recognizing turbulence as an intrinsic environmental perturbation in aquatic habitats, this thesis also examined the response of Daphnia to a range of turbulence flows, which correspond to turbu-lence levels that zooplankton generally encounter in their habitats. Results indicated that within the range of turbulent intensities to which the Daphnia are likely to be exposed in their natural habitats, increasing turbulence compelled the organisms to enhance their swimming activity and swim-ming speed. However, as the turbulence increased to extremely high values (10-4 m2s-3), Daphnia began to withdraw from their active swimming behaviour. Findings of this work also demonstrated that the threshold level of turbulence at which animals start to alleviate from largely active swimming is about 10-6 m2s-3. The study further illustrated that during the intermediate range of turbu-lence; 10-7 - 10-6 m2s-3, kinetic energy dissipation rates in the vicinity of the organisms is consistently one order of magnitude higher than that of the background turbulent flow.
Swarming, a common conspicuous behavioural trait observed in many zooplankton species, is considered to play a significant role in defining freshwater ecology of their habitats from food exploitation, mate encountering to avoiding predators through hydrodynamic flow structures produced by them, therefore, this thesis also investigated implications of Daphnia swarms at varied abundance & swarm densities on their swimming kinematics and induced flow field.
The results showed that Daphnia aggregated in swarms with swarm densities of (1.1-2.3)x103 L-1, which exceeded the abundance densities by two orders of magnitude (i.e. 1.7 - 6.7 L-1). The estimated swarm volume decreased from 52 cm3 to 6.5 cm3, and the mean neighbouring distance dropped from 9.9 to 6.4 body lengths. The findings of this work also showed that mean swimming trajectories were primarily horizontal concentric circles around the light source. Mean flow speeds found to be one order of magnitude lower than the corresponding swimming speeds of Daphnia. Furthermore, this study provided evidences that the flow fields produced by swarming Daphnia differed considerably between unidirectional vortex swarming and bidirectional swimming at low and high abundances respectively.
Agriculture covers one third of the world land area and has become a major source of water pollution due to its heavy reliance on chemical inputs, namely fertilisers and pesticides. Several thousands of tonnes of these chemicals are applied worldwide annually and partly reach freshwaters. Despite their widespread use and relatively unspecific modes of action, fungicides are the least studied group of pesticides. It remains unclear whether the taxonomic groups used in pesticide risk assessment are protective for non-target freshwater fungi. Fungi and bacteria are the main microbial decomposers converting allochthonous organic matter (litter) into a more nutritious food resource for leaf-shredding macroinvertebrates. This process of litter decomposition (LD) is central for aquatic ecosystem because it fuels local and downstream food webs with energy and nutrients. Effects of fungicides on decomposer communities and LD have been mainly analysed under laboratory conditions with limited representation of the multiple factors that may moderate effects in the field.
In this thesis a field study was conducted in a German vineyard area to characterise recurrent episodic exposure to fungicides in agricultural streams (chapter 2) and its effects on decomposer communities and LD (chapter 3). Additionally, potential interaction effects of nutrient enrichment and fungicides on decomposer communities and LD were analysed in a mesocosm experiment (chapter 4).
In the field study event-driven water sampling (EDS) and passive sampling with EmporeTM styrene-divinylbenzene reverse phase sulfonated disks (SDB disks) were used to assess exposure to 15 fungicides and 4 insecticides. A total of 17 streams were monitored during 4 rainfall events within the local application period of fungicides in 2012. EDS exceeded the time-weighted average concentrations provided by the SDB disks by a factor of 3, though high variability among compounds was observed. Most compounds were detected in more than half of the sites and mean and maximum peak (EDS) concentrations were under 1 and 3 µg/l, respectively. Besides, SDB disk-sampling rates and a free-software solution to derive sampling rates under time-variable exposure were provided.
Several biotic endpoints related to decomposers and LD were measured in the same sampling sites as the fungicide monitoring, coinciding with the major litter input period. Our results suggest that polar organic fungicides in streams change the structure of the fungal community. Causality of this finding was supported by a subsequent microcosm experiment. Whether other effects observed in the field study, such as reduced fungal biomass, increased bacterial density or reduced microbial LD can be attributed to fungicides remains speculative and requires further investigation. By contrast, neither the invertebrate LD nor in-situ measured gammarid feeding rates correlated with water-borne fungicide toxicity, but both were negatively associated with sediment copper concentrations. The mesocosm experiment showed that fungicides and nutrients affect microbial decomposers differently and that they can alter community structure, though longer experiments are needed to determine whether these changes may propagate to invertebrate communities and LD. Overall, further studies should include representative field surveys in terms of fungicide pollution and physical, chemical and biological conditions. This should be combined with experiments under controlled conditions to test for the causality of field observations.
Leaf litter breakdown is a fundamental process in aquatic ecosystems, being mainly mediated by decomposer-detritivore systems that are composed of microbial decomposers and leaf-shredding, detritivorous invertebrates. The ecological integrity of these systems can, however, be disturbed, amongst others, by chemical stressors. Fungicides might pose a particular risk as they can have negative effects on the involved microbial decomposers but may also affect shredders via both waterborne toxicity and their diet; the latter by toxic effects due to dietary exposure as a result of fungicides’ accumulation on leaf material and by negatively affecting fungal leaf decomposers, on which shredders’ nutrition heavily relies. The primary aim of this thesis was therefore to provide an in-depth assessment of the ecotoxicological implications of fungicides in a model decomposer-detritivore system using a tiered experimental approach to investigate (1) waterborne toxicity in a model shredder, i.e., Gammarus fossarum, (2) structural and functional implications in leaf-associated microbial communities, and (3) the relative importance of waterborne and diet-related effects for the model shredder.
Additionally, knowledge gaps were tackled that were related to potential differences in the ecotoxicological impact of inorganic (also authorized for organic farming in large parts of the world) and organic fungicides, the mixture toxicity of these substances, the field-relevance of their effects, and the appropriateness of current environmental risk assessment (ERA).
In the course of this thesis, major differences in the effects of inorganic and organic fungicides on the model decomposer-detritivore system were uncovered; e.g., the palatability of leaves for G. fossarum was increased by inorganic fungicides but deteriorated by organic substances. Furthermore, non-additive action of fungicides was observed, rendering mixture effects of these substances hardly predictable. While the relative importance of the waterborne and diet-related effect pathway for the model shredder seems to depend on the fungicide group and the exposure concentration, it was demonstrated that neither path must be ignored due to additive action. Finally, it was shown that effects can be expected at field-relevant fungicide levels and that current ERA may provide insufficient protection for decomposer-detritivore systems. To safeguard aquatic ecosystem functioning, this thesis thus recommends including leaf-associated microbial communities and long-term feeding studies using detritus feeders in ERA testing schemes, and identifies several knowledge gaps whose filling seems mandatory to develop further reasonable refinements for fungicide ERA.
One of the main goals of the artificial intelligence community is to create machines able to reason with dynamically changing knowledge. To achieve this goal, a multitude of different problems have to be solved, of which many have been addressed in the various sub-disciplines of artificial intelligence, like automated reasoning and machine learning. The thesis at hand focuses on the automated reasoning aspects of these problems and address two of the problems which have to be overcome to reach the afore-mentioned goal, namely 1. the fact that reasoning in logical knowledge bases is intractable and 2. the fact that applying changes to formalized knowledge can easily introduce inconsistencies, which leads to unwanted results in most scenarios.
To ease the intractability of logical reasoning, I suggest to adapt a technique called knowledge compilation, known from propositional logic, to description logic knowledge bases. The basic idea of this technique is to compile the given knowledge base into a normal form which allows to answer queries efficiently. This compilation step is very expensive but has to be performed only once and as soon as the result of this step is used to answer many queries, the expensive compilation step gets worthwhile. In the thesis at hand, I develop a normal form, called linkless normal form, suitable for knowledge compilation for description logic knowledge bases. From a computational point of view, the linkless normal form has very nice properties which are introduced in this thesis.
For the second problem, I focus on changes occurring on the instance level of description logic knowledge bases. I introduce three change operators interesting for these knowledge bases, namely deletion and insertion of assertions as well as repair of inconsistent instance bases. These change operators are defined such that in all three cases, the resulting knowledge base is ensured to be consistent and changes performed to the knowledge base are minimal. This allows us to preserve as much of the original knowledge base as possible. Furthermore, I show how these changes can be applied by using a transformation of the knowledge base.
For both issues I suggest to adapt techniques successfully used in other logics to get promising methods for description logic knowledge bases.
Ein zentrales Problem der stationären Behandlung psychischer und psychosomatischer Störungen ist die Nachhaltigkeit von Therapieerfolgen. Im Rahmen einer Pilotstudie wurde ein SMS-basiertes Nachsorgeprogramm zur Modifikation Perfektionismus-bezogener Kognitionen im Anschluss an eine stationäre Behandlung von Burnout-Patienten evaluiert.
Es handelte sich um eine kontrollierte Verlaufsstudie mit vier Messzeitpunkten (Aufnahme, Entlassung, 6 und 10-Wochen-Katamnese). Die Patienten der Versuchsgruppe (n=31) erhielten zusätzlich zur Routine-Behandlung eine 6-wöchige kognitiv ausgerichtete individualisierte SMS-Nachsorge. Als Kontrollgruppe (n=30) diente eine Gruppe von Patienten mit einer stationären Routine-Behandlung. Zur Erfassung der Burnout-Symptomatik wurde das Maslach Burnout Inventory General Survey (MBI-GS-D) eingesetzt, die depressive Symptomatik wurde mit dem Beck-Depressions-Inventar-V (BDI-V) erhoben. Zur Erfassung der Facetten des Perfektionismus dienten Items aus der Multidimensional Perfectionism Scale (FMPS und HMPS) sowie der Almost Perfect Scale (APS-R).
Ein sehr hohes Interesse, eine hohe Inanspruchnahme sowie eine hohe Akzeptanz des Nachsorgeprogramms konnte anhand der Bereitschaft zur Teilnahme und der von den Teilnehmern bewertete Nutzen aufgezeigt werden.
Eine Wirksamkeit der SMS-Nachsorge bzgl. Burnout und depressiver Symptomatik sowie dysfunktionalen Facetten des Perfektionismus konnte mittels zweifaktoriellen Kovarianzanalysen (Gruppe, Zeit, Baseline als Kovariate) nicht nachgewiesen werden. Ein Grund hierfür könnte sein, dass der Interventionszeitraum von 10 Wochen nach der stationären Entlassung für eine effektive Nachsorge zu kurz bemessen wurde. Bzgl. einiger dysfunktionaler Perfektionismusskalen (Concern over Mistakes, Discrepancy, Socially Prescribed Perfectionism) zeigten sich kleinere Interaktionseffekte, die einen ersten Hinweis liefern, dass die eingesetzten SMS-Nachrichten Perfektionismus-bezogene Kognitionen verändern können. Da das vorgestellte Interventionsprogramm ein ökonomisches und niedrigschwelliges ambulantes Nachsorge-Konzept darstellt und sich erste Hinweise auf eine Wirksamkeit ergeben, wären für die Zukunft weitere Studien wünschenswert, die sich über einen längeren Interventionszeitraum erstrecken. Es sollten weitere Messinstrumente einbezogen und die Implementierung eines Feedbackprozesses erwogen werden.
In der vorliegenden Untersuchung stehen geometrische Aufgaben und die in den seit 2004 national verbindlichen Bildungsstandards im Fach Mathematik für den Primarbereich formulierten Anforderungsbereiche im Zentrum. Diese zeigen die kognitiven Anforderungen an Schülerinnen und Schüler bei der Bearbeitung von Aufgaben auf, wobei zwischen „Reproduzieren", „Zusammenhänge herstellen" und „Verallgemeinern und Reflektieren" unterschieden wird (KMK, 2005a, S. 13).
Durch die drei Anforderungsbereiche sollen Lehrkräfte unter anderem die Chance zur Entwicklung einer anforderungsbezogenen Aufgabenkultur erhalten. Des Weiteren soll die Integration von Aufgaben aus allen drei Anforderungsbereichen im Unterricht angeregt und einem einseitig ausgerichteten Unterricht entgegen gewirkt werden.
Da die Anforderungsbereiche bislang nicht empirisch validiert wurden und in den Veröffentlichungen der Kultusministerkonferenz nicht klar zur Schwierigkeit von Aufgaben abgegrenzt werden (KMK, 2005a, S. 13; KMK, 2005b, S. 17; KMK, 2004b, S. 13), wurde in der vorliegenden Untersuchung zum einen die Möglichkeit der eindeutigen Zuordnung geometrischer Aufgaben zu den drei Anforderungsbereichen geprüft.
Zum anderen wurde untersucht, inwiefern die in den geometrischen Aufgaben enthaltenen kognitiven Anforderungen in Zusammenhang mit der empirischen Schwierigkeit von Aufgaben, der mathematischen Leistungsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern, dem Geschlecht und den Anforderungen der im Unterricht gestellten Aufgaben stehen.
Vor dem Hintergrund der dem deutschen Mathematikunterricht nachgesagten Kalkül- beziehungsweise Fertigkeitsorientierung (Baumert et al., 2001, S. 296; Granzer & Walther, 2008, S. 9) und den damit einhergehenden Stärken deutscher Schülerinnen und Schüler im Bereich von Routineaufgaben und Schwächen im Bereich von Aufgaben mit höheren kognitiven Anforderungen (Grassmann et al., 2014, S. 11; Reiss & Hammer, 2013, S. 82; Schütte, 2008, S. 41) wurde zudem die Verteilung der im Rahmen der Untersuchung gewonnenen, schriftlich fixierten geometrischen Schulbuch- und Unterrichtsaufgaben auf die drei Anforderungsbereiche analysiert.
Durch die Betrachtung geometrischer Aufgaben konnte stichprobenartig der quantitative Geometrieanteil in den Schulbüchern und im Unterricht der vierten Jahrgangsstufe ermittelt werden, um so den Forschungsstand zum Stellenwert des Geometrieunterrichts (Maier, 1999; Backe-Neuwald, 2000; Roick, Gölitz & Hasselhorn, 2004) zu aktualisieren beziehungsweise zu ergänzen.
Gegenstand der Dissertation ist der Handlungsspielraum der schwarz-gelben Bundesregierung unter der Führung Angela Merkels vor dem Hintergrund der Staatsschuldenkrise im Euroraum von 2009 bis 2013. Ausgehend von der Hypothese, dass sich im Rahmen von Krisen der Bewegungskorridor von Regierungen verringert, wurden strukturelle, inhaltliche und prozessuale Beschränkungen der Bundesregierung in der 17. Legislaturperiode mittels qualitativer und quantitativer Methoden untersucht. Im Ergebnis konnte seit Ausbruch der Eurokrise eine Reduzierung der Handlungsmöglichkeiten der Exekutive festgestellt werden.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (”Laser Induced Breakdown Spectroscopy”, im Folgenden auch ”LIBS” genannt) stellt eine schnelle und berührungslose Messmethode zur Elementanalyse von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen unter normalen Umgebungsbedingungen ohne besondere Probenvorbereitung dar. Dazu wird ein gepulster Laser, dessen Intensität einen bestimmten Grenzwert überschreiten muss, auf eine Probe fokussiert. Das dort bestrahlte Material verdampft schlagartig und es bildet sich bei einer Temperatur von rund 10000 K ein Plasma aus. Die angeregten Atome und Ionen im Plasma strahlen bei der Rückkehr in energetisch niedrigere Zustände ein charakteristisches optisches Emissionsspektrum ab, welches über eine schnelle spektroskopische Analyse die Elementzusammensetzung des untersuchten Materials liefert. LIBS bietet in diesem Fall auch die Möglichkeit, ein unkompliziertes und bildgebendes Messverfahren aufzubauen, indem Elementverteilungen auf einer topographischen Oberfläche analysiert werden, um beispielsweise Materialübergänge, Einschlüsse oder Verschmutzungen sicher zu detektieren. Bei unebenen Oberflächen wird eine ständige Anpassung des Laserfokus an die Probenkontur benötigt, da die notwendige Intensität zur Erzeugung des Plasmas nur im Fokus aufgebracht werden kann. Als Grundlage dafür dient ein neu entwickelter Fokussieralgorithmus, der ohne jegliche Zusatzgeräte auskommt, und die Reproduzierbarkeit von LIBS-Messungen deutlich steigern kann, da die Messungen kontrolliert im Fokus stattfinden. Durch ihn ergeben sich neue Möglichkeiten des sogenannten „Element-Mappings", dem Erzeugen von Elementlandkarten, welche die Elementverteilungen in Falschfarben grafisch darstellen. Dabei ist das System nun nicht mehr auf eine ebene Oberfläche angewiesen, sondern kann beliebige Strukturen, auch mit scharfen Kanten und Löchern, sicher vermessen. Als Ergebnis erhält man ein flächiges Höhenprofil, welches zusätzlich die Elementinformationen für jeden Messpunkt beinhaltet. Dies erleichtert es dem Benutzer, gezielt Punkte von Interesse schnell wiederzufinden und zu analysieren. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines bildgebenden Low-Power-LIBSSystems mit niedriger Pulsenergie und hoher Pulsrate, welches sich mit dem dazugehörigen
Fokussieralgorithmus automatisiert an unebene Probenoberflächen anpassen kann. Als Ergebnisse werden die Analysen von ausgewählten metallhaltigen, geologischen, organischen und archäologischen Proben bzw. Fundstücken gezeigt.
Risiko-Träger Controlling: Identifizierung und Bewältigungsoptionen im Kontext dialogischer Führung
(2016)
Innerhalb des organisationalen Führungsgeschehens nimmt das institutionalisierte Controlling eine Reihe von Aufgaben und Funktionen ein. Unter anderem sollen dessen Akteure die risiko- bzw. zielorientierte Steuerung der Organisation absichern. Die Frage nach Risiken im Controlling wird dabei nicht erkennbar gestellt. Diesen blinden Fleck greift die Forschungsarbeit auf und verfolgt das Ziel, das Controlling als Bestandteil des organisationalen Führungsgeschehens als Risiko-Träger zu identifizieren und Bewältigungsoptionen im Kontext der dialogischen Führung aufzuzeigen.
Externe Repräsentationen spielen eine wichtige Rolle für die Lösung von mathematischen Textaufgaben. Die vorliegende Studie untersucht die Effekte bereitgestellter Repräsentationen beim Lösen problemhaltiger Textaufgaben in der Grundschule. Insbesondere problemhaltige Textaufgaben sind für Schüler anspruchsvoll, da sie nicht direkt mit den eingeübten und routinierten Rechenoperationen gelöst werden können. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sich der Lösungsweg nicht auf einen Blick erschließt, die mathematische Grundstruktur daher zunächst erkannt, entfaltet und verstanden werden muss und häufig mehrere Aufgabenbedingungen bei der Planung und Beschreitung des Lösungswegs bedacht und verarbeitet werden müssen. Um diesen komplexen Anforderungen begegnen zu können, benötigen Schüler die Fähigkeit, das Problem adäquat zu repräsentieren. Dabei können verschiedene Darstellungsformen wie Zeichnungen und Tabellen verwendet werden, die dann als Werkzeuge für die kognitiven Lösungsprozesse dienen. Da Grundschüler von sich aus häufig keine externen Repräsentationen erstellen, geht die vorliegende Studie den Fragen nach, (1) ob vorgefertigte Repräsentationen das Problemlösen verbessern und erleichtern, (2) ob sich eine Auseinandersetzung mit vorgefertigten Tabellen und Zeichnungen auch auf späteres Problemlösen ohne bereitgestellte Hilfsmittel auswirkt, (3) welche Repräsentationsform (Zeichnung oder Tabelle) und (4) wie viel Vorstrukturierung der bereitgestellten Repräsentation dabei hilfreicher ist. In einem experimentellen Studiendesign arbeiteten 199 Viertklässler an unterschiedlichen problemhaltigen Textaufgaben. Das Design bestand aus drei Tests: (1) Vor-, (2) Treatment- und (3) Transfertest. Im Vortest wurde die Ausgangsleistung der Probanden bei problemhaltigen Textaufgaben gemessen. Im Treatment-Test wurde die Performance beim Problemlösen mit vorgegebenen Repräsentationen erhoben: Probanden der Experimentalgruppe erhielten Zeichnungen und Tabellen in unterschiedlichen Vorstrukturierungsgraden zu den Aufgaben (Intervention), eine Kontrollgruppe erhielt keine Repräsentationen. Im Transfertest bearbeiteten die Teilnehmer vergleichbare Aufgaben wiederum ohne vorgegebene Repräsentationen, um die Problemlöse-Performance nach der Intervention zu messen. Die Ergebnisse zeigten erstens, dass die bereitgestellten Repräsenta-tionen entgegen der Annahme die Problemlöseprozesse insgesamt nicht verbessert und erleichtert haben. Zweitens: Wurde eine Repräsentation bereitgestellt, war eine Zeichnung wie angenommen hilfreicher als eine Tabelle. Jedoch war dieser Effekt abhängig vom Problemtyp und vom Grad der Vorstrukturierung. Offensichtlich genügte es nicht, Zeichnungen und Tabellen einfach nur bereitzustellen, da die Probanden vielfach Schwierigkeiten bei der Interpretation und adäquaten Verwendung der Repräsentationen hatten. Dies spricht für die Notwendigkeit eines Trainings zur Ausbildung und Förderung einer frühen „diagram literacy“ bereits bei Grundschülern.