Dissertation
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Der Mittelstand ist das Rückgrat der deutschen Wirtschaft. Um erfolgreich agieren zu können, benötigt er geeignete Finanzierung in ausreichendem Umfang. Was aber zeichnet eine geeignete Finanzierung aus Sicht des Kapitalnehmers aus? Trotz der volkswirtschaftlichen Relevanz des Themas gibt es nur wenige empirische Studien über das Finanzierungsverhalten des Mittelstandes. Für diese Arbeit wurden sämtliche deutsche, mit PREPS finanzierte Unternehmen zur Teilnahme an einer Online-Befragung eingeladen. PREPS ist eine standardisierte mezzanine Finanzierung, die großen mittelständischen, bonitätsstarken Unternehmen angeboten wurde und mehrheitlich als Wachstumsfinanzierung verwendet wurde. Die finanzierten Unternehmen sind als Forschungsgegenstand besonders interessant, weil sie innerhalb des Mittelstandes aufgrund ihrer Größe und Bonität die breiteste Auswahl bei Finanzierungsentscheidungen haben. Finanzierungsinstrumente unterscheiden sich in der Ausgestaltung von ihren Rechten und Pflichten. Je nach Ausgestaltung kann eine Finanzierung neben der offensichtlichen Liquiditätsfunktion unterschiedliche weitere Funktionen wahrnehmen wie die Transformations-, Verhaltensbeeinflussungs- oder auch die Informationsfunktion. Die Haupthypothese dieser Arbeit ist, dass sich die finanzierten Unternehmen aus unterschiedlichen Gründen für dasselbe Finanzierungsinstrument entschieden haben und dass sich die unterschiedliche Wertschätzung der verschiedenen Eigenschaften des Finanzierungsinstruments aus unternehmens- und situationsspezifischen Besonderheiten ergeben. In den einzelnen Hypothesen über konkrete Zusammenhänge zwischen spezifischen Einflussfaktoren und Wertschätzungen von Finanzierungseigenschaften werden sowohl die zentralen Aussagen aus den Kapitalstrukturtheorien als auch aktuelle empirische Erkenntnisse zum Finanzierungsverhalten aufgegriffen und detailliert untersucht. Darüber hinaus wird einigen explorativen Hypothesen nachgegangen.
In the last years, the public interest in epidemiology and mathematical modeling of disease spread has increased - mainly caused by the COVID-19 pandemic, which has emphasized the urgent need for accurate and timely modelling of disease transmission. However, even prior to that, mathematical modelling has been used for describing the dynamics and spread of infectious diseases, which is vital for developing effective interventions and controls, e.g., for vaccination campaigns and social restrictions like lockdowns. The forecasts and evaluations provided by these models influence political actions and shape the measures implemented to contain the virus.
This research contributes to the understanding and control of disease spread, specifically for Dengue fever and COVID-19, making use of mathematical models and various data analysis techniques. The mathematical foundations of epidemiological modelling, as well as several concepts for spatio-temporal diffusion like ordinary differential equation (ODE) models, are presented, as well as an originally human-vector model for Dengue fever, and the standard (SEIR)-model (with the potential inclusion of an equation for deceased persons), which are suited for the description of COVID-19. Additionally, multi-compartment models, fractional diffusion models, partial differential equations (PDE) models, and integro-differential models are used to describe spatial propagation of the diseases.
We will make use of different optimization techniques to adapt the models to medical data and estimate the relevant parameters or finding optimal control techniques for containing diseases using both Metropolis and Lagrangian methods. Reasonable estimates for the unknown parameters are found, especially in initial stages of pandemics, when little to no information is available and the majority of the population has not got in contact with the disease. The longer a disease is present, the more complex the modelling gets and more things (vaccination, different types, etc.) appear and reduce the estimation and prediction quality of the mathematical models.
While it is possible to create highly complex models with numerous equations and parameters, such an approach presents several challenges, including difficulties in comparing and evaluating data, increased risk of overfitting, and reduced generalizability. Therefore, we will also consider criteria for model selection based on fit and complexity as well as the sensitivity of the model with respect to specific parameters. This also gives valuable information on which political interventions should be more emphasized for possible variations of parameter values.
Furthermore, the presented models, particularly the optimization using the Metropolis algorithm for parameter estimation, are compared with other established methods. The quality of model calculation, as well as computational effort and applicability, play a role in this comparison. Additionally, the spatial integro-differential model is compared with an established agent-based model. Since the macroscopic results align very well, the computationally faster integro-differential model can now be used as a proxy for the slower and non-traditionally optimizable agent-based model, e.g., in order to find an apt control strategy.
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.
Die Wirbelsäule als tragende Säule des menschlichen Körpers ist bei vielen Bewegungsabläufen hohen Belastungen ausgesetzt. Fehl- und Überbelastungen rufen dabei oft dauerhafte Schädigungen hervor. Daher ist es von Interesse, die innerhalb der Wirbelsäule auftretenden Belastungen zu bestimmen. Eine moderne und zuverlässige Methode zur Belastungsbestimmung ist der Aufbau eines Berechnungsmodells.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Mehr-Körper-System (MKS) Modell der Lendenwirbelsäule erstellt. Mit Hilfe des Modells können sowohl die übertragenen Kräfte und Momente in allen inneren Strukturen berechnet als auch die Kinematik des Bewegungsablaufs simuliert werden. Die Grundstruktur des Modells bilden die als Starrkörper angenommenen knöchernen Strukturen der fünf Lendenwirbel L1 bis L5, des Os Sacrums und des Os iliums, die über die Segmentierung eines CT-Datensatzes des Abgusses der Wirbeloberflächen eines durchschnittlich großen Europäers gewonnen wurden. Die elastischen Elemente der Wirbelsäule wurden unter Berücksichtigung ihrer physikalischen Eigenschaften in das Modell implementiert. Grundlage für die Modellierung der Zwischenwirbelscheiben waren dabei eigens durchgeführte experimentelle Messungen. Das charakteristische Kraft-Deformations-Verhalten der Ligamente wurde der Literatur entnommen.
Die Umsetzung im Computermodell berücksichtigt neben dem physikalischen Verhalten eines einzelnen Ligamentes zusätzlich durch einen Gewichtungsfaktor das Zusammenspiel aller Ligamente im komplex aufgebauten Ligamentapparat. Die Facettengelenke wurden durch Kontaktmodellierung in den Knorpelschichten realisiert. Daneben wurde ein Modell eines Implantatsystems entwickelt, das zur dynamischen Stabilisierung der Lendenwirbelsäule genutzt wird. Die Validierung der erstellten Modelle erfolgte über den Vergleich mit In-Vitro erhobenen Daten. Betrachtet wurden neben der intakten Wirbelsäule zudem degenerative Schädigungen der Zwischenwirbelscheibe und deren operative Versorgung durch Nukleotomie und dynamische Stabilisierung. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen dabei eine sehr gute Näherung an die experimentell ermittelten Messwerte. Durch Anwendung der Computermodelle konnten die Auswirkungen verschiedener operativer Eingriffe, wie Interlaminotomie, Hemilaminektomie und Laminektomie auf die unterschiedlichen Strukturen der Lendenwirbelsäule berechnet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet lag in der Untersuchung des momentanen Drehzentrums. Neben der Bestimmung der Drehpunktbahn bei intakter Wirbelsäule konnten die Effekte einer degenerativ geschädigten und operativ versorgten Zwischenwirbelscheibe auf den Verlauf des momentanen Drehzentrums berechnet und simuliert werden.
Diese Arbeit thematisiert die theoretische Grundlegung, Entwicklung und Validierung eines Instrumentariums, das Lehramtsstudierenden zum Abschluss der Bachelorphase einen Einblick in die eigene Kompetenzentwicklung ermöglicht sowie erste "Praxiserfahrungen" aufarbeiten hilft. Hierdurch wird die Ausbildung der Reflexionsfähigkeit der Studierenden unterstützt. Diese beiden Aspekte und zwei darauf ausgerichteten Instrumente sind die Grundlage für ein Online-Self-Assessment (Tour 3-RLP), das in Anlehnung an das Carreer-Counselling for Teachers (CCT, vgl. cct-germany.de) konzipiert und auf die Kompetenzerfassung ausgerichtet ist. Die Instrumente dienen der Förderung der Professionalisierung der Studierenden und entsprechen dem Anliegen der Reform der Lehrerausbildung in Rheinland-Pfalz. Dieses Reformkonzept, die KMK-Standards für die Lehrerbildung (Bildungswissenschaften), der rheinland-pfälzische "Orientierungsrahmen Schulqualität" sowie die Handreichungen und Manuale zur Durchführung der Vertiefenden Praktika in der Lehrerausbildung bilden die rationale Basis zur Itemgenerierung und Konstruktion der Instrumente.
Der erste Teil dieser Schrift widmet sich den theoretischen Grundlagen zur Erstellung des Instrumentariums für die "CCT-Tour 3-RLP" mit dem Hintergrund der Professionalisierung im Lehrberuf. Ihre historischen Dimensionen und die damit verbundenen Ansätze der Lehrerbildungsforschung stellen ein umfassendes Wissensgebiet dar, das von der "Lehrerpersönlichkeit" bis hin zur Implementation von Standards für die Lehrerausbildung sowie der Outputorientierung reicht. War es in den 60er und 70er Jahren noch der Persönlichkeitsansatz, der in der Lehrerbildungsforschung eine große Rolle spielte, so sind es nun die Ansätze zur Expertiseentwicklung und Modelle der Kompetenzentwicklung, die im Fokus des wissenschaftlichen Interesses stehen.
Im Theorieteil der Dissertationsschrift werden daher sukzessive die diesem momentanen Trend vorausgehenden Paradigmen beschrieben. Im Kontext dieser Erörterungen wird auf das Konzept der Lehrerselbstwirksamkeit eingegangen, es wird ferner intensiv auf topologische und typologische Modelle der Professionalisierung Bezug genommen. Ferner werden die Praxiselemente der Lehrerausbildung und deren Beitrag zur Professionalisierung angehender Lehrkräfte beleuchtet. Professionell reflektierte Praxis, so die Annahme, bildet eine Grundlage zur Expertiseentwicklung. Gerade deshalb ist es unumgänglich, die Transferierbarkeit von Theoriewissen in Praxishandeln zu hinterfragen und die hierzu vorliegenden Erkenntnisse aufzuarbeiten. Eine verbindende Theorie zwischen der Integrationshypothese (Theoriewissen kann in Praxishandeln "übertragen" werden) und der Differenzhypothese (Lehrerkönnen stellt eine eigene, vom Theoriewissen unabhängige Art von Wissensverwendung dar) stellt die kognitive Psychologie, und hier wiederum die Expertiseforschung, bereit. Sie kann annähernd erklären, wie propositionales Wissen (Regelwissen) und die über das berufliche Handeln über kategoriale Wahrnehmung und die Ausbildung von Schemata erzeugten Wissenskomponenten zum professionellen Agieren führen (können). Endpunkt des theoretischen Diskurses ist die Bilanzierung der vorliegenden Erkenntnisse, deren Verbindung mit den Anliegen der Reform der Lehrerbildung in Rheinland-Pfalz und die Rolle, welche die Tour 3-RLP in diesem Kontext spielen kann. rnIm empirischen Teil dieser Arbeit werden die Schritte zur Validierung des Instrumentariums erörtert.
Einführend erfolgt die Darstellung der Professionsstandards der PH Zentralschweiz, die als Modell zum Aufbau eines kompetenzstufenorientierten Instrumentariums gelten können. Eine Analyse von verschiedenen Methoden zur Ermittlung von Cut-Scores mit dem Ziel, Kompetenzstufen zu entwickeln, bildet ebenfalls eine Grundlage zum Aufbau geeigneter Verfahrensweisen innerhalb des eigenen Anliegens. Aus den Ergebnissen der beiden Validierungsstudien Studie lässt sich eine nach psychometrischen Kriterien abgesicherte Skalenstruktur für das Instrument zur Erfassung des Kompetenzstands ableiten und ein Tool aufbauen, das die Erfahrungsverarbeitung der Studierenden fokussiert und der Selbstreflexion dienen soll.
Kernanliegen beider Instrumentarien ist die Förderung der Studierenden, die mit dem Online-Self-Assessment über geeignete Rückmeldestrukturen und daran gekoppelte Handlungsempfehlungen realisiert wird. Der Ausblick widmet sich der Frage, ob eine kompetenzmodellierende oder auf Standards basierende Auseinandersetzung mit dem Thema Professionalisierung die einzige Möglichkeit darstellt, sich dem Thema der Kompetenzentenwicklung anzunähern. Die Rolle der Reflexion erweist sich im integrativen wie auch im differenziellen Ansatz zum Wissenstransfer und Kompetenzaufbau als das verbindende Element zwischen beiden Positionen.
Die Biomechanik umfasst natur-, ingenieur- und sportwissenschaftliche sowie medizinische Aspekte. Unter Berücksichtigung all dieser Aspekte leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis von Verletzungsmechanismen ausgewählter Sportarten. Dabei stellen numerische Verfahren ein adäquates Mittel dar, wenn Messtechnik an ihre Grenzen stößt oder experimentelle Untersuchungen aus ethischen Gründen nicht oder nur bedingt durchführbar sind. Den Schwerpunkt in dieser Arbeit bildet daher der Aufbau und die Überprüfung detaillierter physikalischer Modelle, sog. Mehrkörpersysteme (MKS), ausgesuchter Regionen des menschlichen Körpers. Die entsprechenden Bereiche des Bewegungsapparates wurden anatomisch detailliert besprochen und die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Strukturen untersucht.
Perfluorcarbonsäuren (PFCA) sind Substanzen anthropogenen Ursprungs und werden seit mehreren Jahrzehnten verwendet. In der Literatur werden diese Verbindungen als eine neue Klasse von Umweltschadstoffen beschrieben. Ihre hohe thermische Stabilität, Oberflächenaktivität, Amphipathizität und schwache intermolekulare Wechselwirkungen führen zur Persistenz dieser organisch-chemischen Verbindungen und zur Bioakkumulation. Um diese Stoffgruppe sicher nachzuweisen, müssen zuverlässige analytische Methoden eingesetzt werden. GC-MS stellt eine kostengünstige Alternative und Ergänzung zu etablierten LC-MS/MS Methoden dar. Um jedoch die GC-MS erfolgreich einsetzen zu können, müssen die PFCA derivatisiert werden. Viele der bisher veröffentlichten Derivatisierungsreaktionen für PFCA, sind zeitaufwändig und erfordern hohe Reaktionstemperaturen und/oder toxische Reagenzien.
In der vorliegenden Dissertation wurden zwei neue Derivatisierungsreaktionen methodologisch entwickelt und optimiert. Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Entwicklung und Optimierung der Derivatisierung mit Triethylsilanol in Wasser. Zusätzlich zur Reaktionsoptimierung, wurde die klassische Festphasenextraktion modifiziert, um die Probenvorbereitung zu vereinfachen.
Im zweiten Teil der Arbeit, wurden die Reaktionsprodukte von Perfluoroktansäure (PFOA) mit Dimethylformamid-dimethylacetal (DMF-DMA) und –diethylacetal (DMF-DEA) identifiziert. Zu diesem Zweck, wurden verschiedene massenspektrometrische Techniken angewandt. Anhand der Messergebnisse konnte gezeigt werden, dass sowohl DMF-DMA als auch DMF-DEA in Gegenwart von PFOA ein Iminium-Kation bildet, was zur Salzbildung führt. Dieses PFOA-Salz reagiert im GC-Injektor weiter zu einem entsprechenden Amin.
Abschließend, im letzten Teil der Arbeit, wurden reale Proben mit der neu entwickelten Methode auf Basis der DMF-DMA Reaktion analysiert. Die Matrixeffekte wurden ausführlich beschrieben. Die Methode wurde erfolgreich für drei Arten von Proben verwendet: Zahnseide, Textilien und Klärschlamm. Die Ergebnisse wurden mittels LC-MS/MS in einem externen Labor verifiziert. Die Unterschiede zwischen den PFCA-Werten, für eine aufgestockte Probe, wurden mittels GC-MS und LC-MS/MS gemessen und waren kleiner als 10 %.
Diese Arbeit beinhaltet ein Konzept zur Gestaltung eines kunstwissenschaftlichen und kunstpädagogischen Informationssystems auf der Basis eines Systems objektorientierter Datenbanken mit Zugriff über den Datendienst World Wide Web (WWW). Dieses Informationssystem wurde zunächst exemplarisch zum begrenzten Themenbereich der Kunstrichtung des Kubismus entwickelt. Es wurde innerhalb des Forschungsprojektteils PRISMA (Picture Retrieval and Information System for Modern Arts) an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz zur Erprobung implementiert, da hier ein geeignetes System verteilter objektorientierter Datenbanken mit WWW-Schnittstelle gestaltet wurde. Das Informationssystem ist als Prototyp eines kunstwissenschaftlichen Recherchewerkzeugs zu verstehen mit Zugriff auf höchst unterschiedliche Daten (z.B. Bildmaterial, Filme, Texte). Die Interakton mit dem Benutzer ist weitgehend hard- und softwareunabhängig, basierend auf allgemein zur Verfügung stehenden WWW-Browsern. Des weiteren erlaubt die Struktur des Systems eine beliebige Skalierbarkeit und grundsätzlich die Anbindung beliebig vieler Datenbanken. Daneben wird im Rahmen dieser Arbeit die Verwendung des Datenbanksystems als Arbeits-, Informations- und Präsentationswerkzeug im Bereich der Forschung und universitären Ausbildung sowie als Unterrichtsmittel im Rahmen von computerunterstütztem Unterricht im schulischen Bereich und für die Erwachsenenbildung untersucht.
Die Zunahme von Mikroplastik (< 5 mm) in der Umwelt ist ein globales Problem, welches im direkten Zusammenhang mit deren steigender Produktionsmenge und –vielfalt steht. Durch direkten Eintrag (primär) oder durch Zersetzung von Meso- und Makroplastik (sekundär) gelangen Mikroplastik-Partikel über die gängigen Stofftransportwege (u.a. häusliche oder industrielle Abwässer, Straßenabflüsse, Gezeiten, Winden, etc.) in die Umweltkompartimente Wasser und/oder Boden. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur nachhaltigen Entfernung von Mikroplastik-Partikeln (inerten organisch-chemischen Stressoren, IOCS) aus dem Abwasser basieren auf der Konstruktion von Polymer-Einschlussverbindungen. IOCS beschreiben organisch-chemische Moleküle, die beim Eintrag in das Ökosystem eine hohe Persistenz aufweisen und nur begrenzt abgebaut werden können.
Nach dem Prinzip der Cloud Point Technologie wurde eine neuartige Separationstechnik entwickelt, welche ein Partikelwachstum bei Mikroplastik induziert und eine leichtere Abtrennung aus Wässer durch Volumenzunahme nach dem Stand der Technik ermöglicht. Das Konzept zur nachhaltigen Entfernung von Mikrokunststoffen von Herbort und Schuhen basiert auf einer Drei-Schritt-Synthese. Dieses Konzept wurde im Rahmen der Forschungsarbeiten weiter optimiert und hinsichtlich der Kriterien Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit angepasst. Die Arbeitsgrundlage des Konzeptes basiert auf der Hypothese, dass van der Waals Kräfte mit kurzer Reichweite und lokalisierte hydrophobe Wechselwirkungen zwischen Präkursor und/oder Material und dem anzubindenden IOCS eine Fixierung durch die Ausbildung einer Einschlussverbindung mit Partikelwachstum induzieren können. Durch Zugabe von Silizium basierten ökotoxikologisch nicht relevanten Werkstoffen gelingt es, in einem durch Wasser induzierten Aggregationsprozess, eine molekulare Selbstorganisation mit den hydrophoben Stressoren zu initiieren. Dies führt zu einer Phasentrennung, wodurch Agglomerate mit einem 10000-fach größeren Volumen ( 2-3 cm) aufschwimmen und im Anschluss durch effektive und kostengünstige Filtrationsverfahren (z. B. Sandfang, Fettabscheider) das Polymer-Extrakt vom aquatischen Medium getrennt werden können.
Die deutsche Holzhausbranche wächst seit Jahren, allerdings beschäftigen sich die Unternehmen nicht strategisch mit dem Thema Marketing. Diese Dissertation bildet durch qualitative und quantitative Bewohnerbefragungen die Basis für die Entwicklung eines strategischen Marketingansatzes im Holzhausbereich.