TY - THES A1 - Schieffer, Andre T1 - Studies on diversity and coexistence in an experimental microbial community N2 - Biodiversity and the coexistence of species have puzzled and fascinated biologists since decades and is a hotspot in todays’ natural sciences. Preserving this biodiversity is a great challenge as habitats and environments underlying tremendous changes like climate change and the loss of natural habitats, which are mainly due to anthropogenic influences. The coexistence of numerous species even in homogeneous environments is a stunning feature of natural communities and has been summarized under the term ‘paradox of plankton’. Up to now, there are several mechanisms discussed, which may contribute to local and global diversity of organisms. Several interspecific trade offs have been identified maintaining the coexistence of species like their abilities regarding competition and predator avoidance, their capability to disperse in space and time, and their ability to exploit variable resources. Further, micro-evolutionary dynamics supporting the coexistence of species have been added to our knowledge, and deriving from theoretical deterministic models, non-linear dynamics which describe the temporal fluctuation of abundances of organisms. Whereas competition and predation seem to be clue structural elements within interacting organisms, the intrinsic dynamic behavior – by means of temporal changes in abundance - plays an important role regarding coexistence within a community. The present work sheds light on different factors affecting the coexistence of species using experimental microbial model systems consisting of a bacterivorous ciliate as the predator and two bacteria strains as prey organism. Additionally, another experimental setup consisting of two up to five bacteria species competing for one limiting resource was investigated. Highly controllable chemostat systems were established to exclude extrinsic disturbances. According to theoretical analyses I was able to show - experimentally and theoretically - that phenotypic plasticity of one species within a microbial one-predator-two-prey food web enlarges the range of possible coexistence of all species under different dynamic conditions, compared to a food web without phenotypic plasticity. This was accompanied by non-linear (chaotic) population dynamics within all experimental systems showing phenotypic plasticity. The experiments on the interplay of competition, predation and invasion showed that all aspects have an influence on species coexistence. Under undisturbed controlled conditions all aspects were analyzed in detail and in combination. Populations showed oscillations which were shown by quasi-chaotic attractors in phase space diagrams. Competition experiments with two up to five bacteria species competing for one limiting resource showed that all organisms were able to coexist which was mediated by species oscillations entering a regime of chaos. Besides that fact it was found, that the productivity (biomass) as well as the total cell numbers – under the same nutrition supply – increased by an increasing number of species in the experimental systems. Up to now, the occurrence of non-linear dynamics in well controlled experimental studies has been recognized several times and this phenomenon seemed to be more common in natural systems than generally assumed. N2 - Biodiversität und die Koexistenz von Arten fasziniert und verblüfft Biologen seit Jahr-zehnten und stellen einen Schwerpunkt in der heutigen Umweltforschung dar. Der Schutz und die Konservierung dieser Mannigfaltigkeit stellen eine große Herausfor-derung dar, da die natürlichen Lebensräume sowie die Umwelt enormen Verände-rungen unterworfen sind, welche meist in einem anthropogenen Ursprung wurzeln. Die Koexistenz vieler Arten, auch in relativ homogenen Habitaten ist ein faszinieren-des Charakteristikum natürlicher Lebensgemeinschaften und wird als ‚Paradox des Planktons‘ bezeichnet. Gegenwärtig werden diverse Ursachen diskutiert, welche vermutlich zur lokalen und globalen Diversität von Organismen beitragen. Einige die-ser möglichen Ursachen, die zur Aufrechterhaltung der Koexistenz der Arten beitra-gen, wurden identifiziert: Das Vermögen der Konkurrenz- und Prädationsvermeidung, die Fähigkeit räumlicher sowie zeitlicher Verteilung, sowie das Vermögen variable Ressourcen zu nutzen. Des Weiteren wurden mikro-evolutionäre Phänomene und Dynamiken identifiziert, sowie, von theoretischen deterministischen Modellen ausge-hend, nichtlineare Dynamiken, welche die zeitlichen Schwankungen der Abundanzen von Organismen beschreiben. Diese Aspekte stellen die Schlüsselkomponenten zwi-schen interagierenden Organismen dar, wobei das intrinsiche, nicht lineare dynami-sche Verhalten in Form von zeitlichen Veränderungen in Abundanzen eine zusätzli-che entscheidende Rolle bezüglich der Koexistenz von Arten spielen kann. Einige dieser Aspekte wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht. In Anlehnung an theoretische Analysen konnte experimentell sowie theoretisch gezeigt werden, dass phänotypische Plastizität in einer Bakterienart in einem mikrobiellen Ein-Räuber-zwei-Beute-Nahrungsgewebe den Bereich der möglichen Koexistenz unter sich än-dernden experimentellen Bedingungen (Änderungen der Durchflussraten der Chemostate) – im direkten Vergleich zu einem experimentellen Nahrungsgewebe ohne phänotypische Plastizität – erweitern kann. Dies wurde begleitet durch nicht lineare Abundanzschwankungen in den Populationen aller untersuchten Versuchs-ansätze. In weiteren Untersuchungen wurde das Zusammenspiel von Konkurrenz, Prädation und Invasion in einer experimentellen mikrobiellen Gemeinschaft untersucht. Unter kontrollierten Bedingungen konnten diese Aspekte detailliert untersucht werden und es konnten Aufschlüsse darüber gewonnen werden, welche Reaktionen (Interaktionen) innerhalb der untersuchten Gemeinschaften stattfinden. Im Versuchsverlauf wurden Veränderungen in den Abundanzen sowie chaotische Schwankungen der Zellzahlen festgestellt. In Konkurrenzexperimenten von zwei bis zu fünf um eine limitierende Ressource konkurrierende Bakterienarten konnte gezeigt werden, dass alle Arten – vermittelt durch chaotische Abundanzschwankungen – nebeneinander koexistieren konnten. Begleitend dazu wurde herausgefunden, dass die Produktivität (Biomasse) sowie die Gesamtzellzahl bei gleicher Nahrungsverfügbarkeit der experimentellen Systeme mit steigender Artenzahl zunehmen. Gegenwärtig ist das Auftreten von Chaos in gut kontrollierten experimentellen Studien vereinzelt beobachtet worden, wobei dieses Phänomen jedoch häufiger in der Natur aufzutreten scheint als generell vermutet. Y1 - 2012 N1 - Köln, Univ., Diss., 2012 ER - TY - CHAP A1 - Streun, M. A1 - Al-Kaddoum, R. A1 - Parl, C. A1 - Pietrzyk, U. A1 - Ziemons, Karl A1 - Waasen, S. van T1 - Simulation studies of optical photons in monolithic block scintillators T2 - 2011 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC) N2 - The interest in PET detectors with monolithic block scintillators is growing. In order to obtain high spatial resolutions dedicated positioning algorithms are required. But even an ideal algorithm can only deliver information which is provided by the detector. In this simulation study we investigated the light distribution on one surface of cuboid LSO scintillators of different size. Scintillators with a large aspect ratio (small footprint and large height) showed significant position information only for a minimum interaction depth of the gamma particle. The results allow a quantitative estimate for a useful aspect ratio. Y1 - 2012 SN - 978-1-4673-0120-6 (electronic ISBN) SN - 978-1-4673-0118-3 (print ISBN) U6 - https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2011.6154621 SP - 1380 EP - 1382 PB - IEEE CY - New York ER - TY - CHAP A1 - Frotscher, Ralf A1 - Raatschen, Hans-Jürgen A1 - Staat, Manfred ED - Holzapfel, Gerhard A. T1 - Effectiveness of the edge-based smoothed finite element method applied to soft biological tissues T2 - ESMC-2012 - 8th European Solid Mechanics Conference, Graz, Austria, July 9-13, 2012 Y1 - 2012 SN - 978-3-85125-223-1 PB - Verlag d. Technischen Universität Graz CY - Graz ER - TY - CHAP A1 - Duong, Minh Tuan A1 - Nguyen, Nhu Hunyh A1 - Staat, Manfred T1 - Finite Element Implementation of a 3D Fung-type Model T2 - ESMC-2012 - 8th European Solid Mechanics Conference, Graz, Austria, July 9-13, 2012 Y1 - 2012 SN - 978-3-85125-223-1 PB - Verlag d. Technischen Universität Graz CY - Graz ER - TY - JOUR A1 - Lustfeld, H. A1 - Pithan, C. A1 - Reißel, Martin T1 - Metallic electrolyte composites in the framework of the brick-layer model JF - Journal of the European Ceramic Society N2 - It is well known that the already large dielectric constants of some electrolytes like BaTiO₃ can be enhanced further by adding metallic (e.g. Ni, Cu or Ag) nanoparticles. The enhancement can be quite large, a factor of more than 1000 is possible. The consequences for the properties will be discussed in the present paper applying a brick-layer model (BLM) for calculating dc-resistivities of thin layers and a modified one (PBLM) that includes percolation for calculating dielectric properties of these materials. The PBLM results in an at least qualitative description and understanding of the physical phenomena: This model gives an explanation for the steep increase of the dielectric constant below the percolation threshold and why this increase is connected to a dramatic decrease of the breakdown voltage as well as the ability of storing electrical energy. We conclude that metallic electrolyte composites like BaTiO₃ are not appropriate for energy storage. Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2011.10.017 SN - 0955-2219 VL - 32 IS - 4 SP - 859 EP - 864 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Kern, Alexander A1 - Schelthoff, Christof A1 - Mathieu, Moritz T1 - Detaillierte Berechnung der Einfangwirksamkeiten von Fangeinrichtungen JF - Elektro-Praktiker N2 - Im Beitrag wird zunächst das Verfahren eines dynamischen elektro-geometrischen Modells vorgestellt. Dieses arbeitet im Gegensatz zum klassischen Blitzkugel-Verfahren nicht mit konstanten Radien; vielmehr wird der Radius der Blitzkugel variiert. Dabei werden ausschließlich vorhandene und in internationalen Normen anerkannte Ergebnisse, blitzphysikalische Grundlagen und Untersuchungen verwendet, und auf deren Grundlage ein numerisches Verfahren erarbeitet. Mit dem dynamischen elektro-geometrischen Modell werden dann einige Beispiele des Schutzes mit Fangstangen, die gemäß dem klassischen Blitzkugel-Verfahren nach DIN EN 62305-3 für die Schutzklassen I – II – III – IV geplant sind, untersucht. Es wird gezeigt, dass die Einfangwirksamkeiten wesentlich höher sind als in der Normenreihe DIN EN 62305 selbst angegeben. Grund dafür ist die Tatsache, dass das Blitzkugel-Verfahren sehr konservativ aufgebaut ist und dem Planer von Blitzschutzsystemen nur die möglichen Stellen für einen Einschlag aufzeigt, ohne eine Bewertung der Einschlagshäufigkeit zu liefern. Andererseits bedeutet dies jedoch, dass man mit dem klassischen Blitzkugel-Verfahren stets auf der „sicheren Seite“ liegt. Y1 - 2012 SN - 0013-5569 VL - 66 IS - 4 PB - Huss Medien CY - Berlin ER - TY - CHAP A1 - Reisert, Steffen A1 - Geissler, H. A1 - Flörke, R. A1 - Weiler, C. A1 - Wagner, P. A1 - Schöning, Michael Josef ED - Abdelghani, Adnane ED - Schöning, Michael Josef T1 - Characterisation of aseptic sterilisation processes using an electronic nose T2 - Nanoscale Science and Technology (NS&T´12) : Proceedings Book Humboldt Kolleg ; Tunisia, 17-19 March, 2012 Y1 - 2012 SP - 45 EP - 45 ER - TY - CHAP A1 - Schusser, Sebastian A1 - Leinhos, Marcel A1 - Poghossian, Arshak A1 - Wagner, Patrick A1 - Schöning, Michael Josef ED - Abdelghani, Adnane ED - Schöning, Michael Josef T1 - Biopolymer-degradation monitoring by chip-­based impedance spectroscopy technique T2 - Nanoscale Science and Technology (NS&T´12) : Proceedings Book Humboldt Kolleg ; Tunisia, 17-19 March, 2012 Y1 - 2012 SP - 47 EP - 47 ER - TY - JOUR A1 - Abouzar, Maryam H. A1 - Poghossian, Arshak A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Pedraza, Angela M. A1 - Ingebrandt, Sven A1 - Schöning, Michael Josef T1 - Label-free electrical detection of DNA by means of field-effect nanoplate capacitors: Experiments and modeling JF - Physica Status Solidi (a) N2 - Label-free electrical detection of consecutive deoxyribonucleic acid (DNA) hybridization/denaturation by means of an array of individually addressable field-effect-based nanoplate silicon-on-insulator (SOI) capacitors modified with gold nanoparticles (Au-NP) is investigated. The proposed device detects charge changes on Au-NP/DNA hybrids induced by the hybridization or denaturation event. DNA hybridization was performed in a high ionic-strength solution to provide a high hybridization efficiency. On the other hand, to reduce the screening of the DNA charge by counter ions and to achieve a high sensitivity, the sensor signal induced by the hybridization and denaturation events was measured in a low ionic-strength solution. High sensor signals of about 120, 90, and 80 mV were registered after the DNA hybridization, denaturation, and re-hybridization events, respectively. Fluorescence microscopy has been applied as reference method to verify the DNA immobilization, hybridization, and denaturation processes. An electrostatic charge-plane model for potential changes at the gate surface of a nanoplate field-effect sensor induced by the DNA hybridization has been developed taking into account both the Debye length and the distance of the DNA charge from the gate surface. Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1002/pssa.201100710 SN - 1862-6319 VL - 209 SP - 925 EP - 934 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - CHAP A1 - Yoshinobu, Tatsuo A1 - Miyamoto, Ko-Ichiro A1 - Wagner, Torsten A1 - Schöning, Michael Josef ED - Yamaguchi, Takami T1 - Miniaturized and high-speed chemical imaging systems T2 - Nano-Biomedical Engineering 2012. Proceedings of the Tohoku University Global Centre of Excellence Programme, Sakura Hall, Tohoku University, Sendai Japan, 5 – 6 March 2012 Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1142/9781848169067_0045 SP - 386 EP - 395 PB - World Scientific CY - Singapur ER -