Metal oxide materials are a broad class of materials found in many current technologies due to their interesting properties such as magnetism and ferroelectricity. Material properties can be tuned and heavily influenced by disorder at the atomic level, as has been shown in the ferrimagnetic and ferroelectric Al2-x-yGaxFeyO3 materials, which adopt the non-centrosymmetric, orthorhombic GaFeO3 crystal structure-type (Pna21). The significant cation disorder and non centrosymmetric nature of the crystal structure underlie the multiferroic properties in these materials and make them one of the few chemical systems to possess multiferroic ordering near room temperature. Unfortunately, while cation site disorder is responsible for the multiferroic properties observed in these compounds, their complex crystal structure has led to inconsistent reports in the ternary Al2-xFexO3 and Ga2-xFexO3 compounds. X-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES) is an element specific technique, which can be used to examine cation site disorder as a function of changes in the average coordination environment around the metal, providing a means of studying these complex materials. In this thesis, XANES was used to investigate factors affecting cation site disorder in a series of Al1-xGaxFeO3 materials (0 ≤ x ≤ 1) adopting the GaFeO3 crystal structure-type. The GaFeO3 crystal structure has four cation sites, of which, the distorted octahedral Fe1 and Fe2 sites are primarily occupied by Fe3+, and the less distorted tetrahedral A1 and octahedral A2 sites are primarily occupied by Al3+ or Ga3+. These materials were initially synthesized using a high temperature ceramic method, and it was found that with increasing Ga3+ content (x) these materials show a decrease in the amount of cation site disorder between the tetrahedral site and the three octahedral sites. This decrease is attributed to the tetrahedral site preference of Ga3+, which inhibits cation site disorder at the A1 site, as opposed to the octahedral site preference observed for Al3+. Additionally, Fe3+ was found to predominantly occupy the three octahedral sites over the tetrahedral site in these materials, likely because of its large ionic size and the strong magnetic coupling between those three sites. The quaternary Al1-xGaxFeO3 materials (0 ≤ x ≤ 1) were synthesized again via two other techniques: a citrate sol-gel method and a co-precipitation method. The oxide network binding the binary metal oxide precursors limits ion mobility in the high temperature ceramic method. The citrate sol-gel and co-precipitation methods were used to generate mixed-metal precursors with a more homogeneous distribution of the metal cations than the binary metal oxide precursors commonly used by the high temperature ceramic method. Mixed-metal precursors reduce the distance the ions have to diffuse, while the nature of the amorphous matrix was found to affect disorder in the resulting material. From analysis of the XANES spectra, the ceramic method showed the least amount of cation site disorder, followed by the citrate sol-gel method and co-precipitation method, respectively. Greater annealing temperatures resulted in an increase in cation site disorder, with the average coordination number of Al3+ and Ga3+ increasing while the average coordination number of Fe3+ decreased. Al1-xGaxFeO3 materials synthesized via the co-precipitation method showed the greatest amount of cation disorder, followed by the citrate sol-gel and high temperature ceramic techniques, respectively. The research presented in this thesis is among the first to examine a large number of materials from the relatively unexplored Al1-xGaxFeO3 system, and has contributed to the growing body of knowledge on the factors affecting cation site disorder in these materials and potentially other systems. Further, despite a simple rationale for understanding the features present in Al L2,3- and Ga K-edge spectra, these studies have shown how effectively XANES can be used to understand subtle changes in the atomic structure of solid-state materials.

Das Spurengas Lachgas (N₂O) trägt zur Klimaerwärmung und Zerstörung der Ozonschicht in der Atmosphäre bei. Mit einem Anteil von ca. 70% sind landwirtschaftliche Böden weltweit Hauptverursacher der hohen anthropogenenN₂O Emissionen. N₂O entsteht in Böden durch verschiedene mikrobiologische Prozesse, bei denen N₂O unter anderem aus düngerbürtigem N gebildet wird. Die Entwicklung effektiver Minderungsmaßnahmen wird erst möglich, wenn ein Verständnis der N₂O Quellprozesse und ihrer Dynamik in Böden vorhanden ist. In dieser Studie wurde die Denitrifikation als ein Quellprozess untersucht, der zusammen mit Nitrifikation und Nitrifizierer-Denitrifikation hauptsächlich für die N₂O Emissionen aus Böden verantwortlich ist. Die Denitrifikation beschreibt die Reduktion von Nitrat (NO₃^-) zu N2, wobei Nitrit (NO₂^-), Stickstoffmonoxid (NO) und N₂O Zwischenprodukte dieses Reaktionsweges sind. Lange Zeit galten heterotrophe Bakterien als alleinige Verursacher von N₂O Emissionen aus der Denitrifikation. Im Jahr 1972 wurde allerdings in Versuchen mit Pilzreinkulturen nachgewiesen, dass auch Pilze in der Lage sind, N₂O über die Denitrifikation zu bilden. Zwei Jahrzehnte später wurde gezeigt, dass den meisten Pilzen das Enzym N₂O-Reduktase fehlt. Somit ist nicht N₂, sondern N₂O das hauptsächliche Endprodukt der pilzlichen Denitrifikation. Dies lässt vermuten, dass die Bildung von N₂O durch pilzliche Denitrifikation noch unterschätzt wird, vorausgesetzt Pilze und Bakterien haben ähnliche Prozessraten. Bisher wurde jedoch nicht ausgiebig erforscht, welchen Anteil die einzelnen mikrobiellen Gemeinschaften an der N₂O Bildung tatsächlich haben. Zur Unterscheidung der N₂O Bildungsprozesse in Bezug auf die beteiligten Mikroorganismen stellt die Isotopenanalyse von N₂O eine vielversprechende Anwendung dar. Vor allem die ¹⁵N-Positionspräferenz im N₂O (SP = site preference, d.h. die Differenz zwischen den δ¹⁵N-Werten der außenständigen und zentralen N-Atome im linearen N₂O-Molekül) aus der Denitrifikation zeigte starke Unterschiede zwischen Reinkulturen einiger Bakterien (SP = -11 bis 0 ‰) und zwei untersuchten Pilzen (SP ~ 37 ‰). Jedoch wurden Bakterienreinkulturen bisher ausgiebiger untersucht als Pilzreinkulturen, auch wenn bekannt ist, dass sich die beteiligten Enzyme bei der Denitrifikation, bis auf die NO-Reduktase, zwischen Bakterien und Pilzen nicht unterscheiden. Die verschiedenen NO-Reduktasen sind vermutlich die Ursache für die unterschiedlichen SP-Werte des von Pilzen und Bakterien produzierten N₂O. Des Weiteren wurde bei Bakterien ein Austausch der Sauerstoffatome von Zwischenprodukten der Denitrifikation und dem umgebenden Wasser gefunden, der zwischen 4 und 100% beträgt. Ob es einen solchen Sauerstoffaustausch auch bei Pilzen gibt, ist bisher jedoch unerforscht. Würde der Sauerstoffaustausch bei pilzlicher Denitrifikation nicht erfolgen, ermöglichte dies neben der unterschiedlichen SP eine weitere Unterscheidung der Herkunft des N₂O. Der Sauerstoffaustausch würde signifikante Unterschiede in der O Isotopensignatur im N₂O pilzlicher bzw. bakterieller Herkunft verursachen. In der vorliegenden Studie, die Aufschluss über die pilzliche N₂O Produktion aus der Denitrifikation geben soll, wurden drei Hauptthemen behandelt. In einem Isotopen-Tracerexperiment mit <up>18</sup>O-angereichertem Wasser wurde untersucht, ob bei sechs Pilzreinkulturen ein Sauerstoffaustausch zwischen Wasser und Zwischenprodukten der Denitrifikation stattfindet. Die Pilzreinkulturen zeigten tatsächlich durch Inkorporation von ¹⁸O aus Wasser in N₂O einen Sauerstoffaustausch. Auch Pilze können bis zu 100% des O während der Denitrifikation austauschen. Eine Unterscheidung zwischen der Denitrifikation durch Bakterien und Pilze anhand der Sauerstoffsignatur ist somit nicht möglich. Das zweite Thema sollte Auskunft darüber geben, ob hohe SP-Werte des N₂O aus der Denitrifikation bei Pilzreinkulturen allgemeingültig sind. Neben den zwei bisher untersuchten wurden vier weitere Pilzreinkulturen inkubiert. Diese Studie zeigte für die getesteten Pilzarten ebenfalls höhere SP-Werte (SP = 19.7 bis 32.6 ‰) im Vergleich zum Wertebereich von Bakterienreinkulturen. Basierend auf den Ergebnissen zum Sauerstoffaustausch aus dem Isotopen-Tracerexperiment wurde für die jeweiligen sechs Pilze, anhand der im Rahmen dieses Versuchs ermittelten natürlichen Sauerstoffisotopensignaturen, Mechanismen zur O Isotopenfraktionierung untersucht. Dafür wurden, neben den Werten des Sauerstoffaustausches und der natürlichen O Isotopensignatur der Pilzreinkulturen, Werte für Fraktionierungseffekte aus der Literatur in einem Isotopenfraktionierungsmodell angewendet, um die Beteiligung der verschiedenen Enzyme, die während der Denitrifikation an dem Sauerstoffaustausch beteiligt sind, abzuschätzen. Im Vergleich zu den NO₃^-- und NO-Reduktasen wies die N₂O^--Reduktase einen maßgeblich höheren Sauerstoffaustausch auf. Die Erkenntnisse aus den Experimenten mit den Pilzereinkulturen sollten im Rahmen des dritten Themas auf Ihre Übertragbarkeit auf die mikrobiellen Gemeinschaften in Böden untersucht werden, indem Bodeninkubationsversuche mit selektiver Hemmung der Organismengruppen (Pilze und Bakterien) durchgeführt wurden. Bei dieser Modifizierung der Methode zur Substrat-induzierten Respiration mit selektiver Hemmung (SIRIN) sollte untersucht werden, ob sich die spezifischen SP-Werte für Bakterien und Pilze nach selektiver Wachstumshemmung von Bodengemeinschaften durch spezifische Antibiotika nachweisen lassen. Die Ausprägung des Hemmungseffekts auf SP-Werte in den drei getesteten Böden entsprach nicht den Erwartungswerten, die sich aus den SP-Werten der Pilz- und Bakterienreinkulturen ergaben. Die ermittelten SP-Werte lagen in den meisten Fällen im Bereich jener bakterieller Reinkulturen und eine Hemmung der Bakterien führte in keinem Fall zu der erwarteten Veränderungen der SP-Werte. Folglich konnten die SP-Werte dieser Versuche nicht dazu dienen, die N₂O Bildung in den gehemmten Varianten den verschiedenen Organismengruppen zu zuordnen. Ungeklärt blieb, ob dies durch fehlende Eignung der modifizierten SIRIN-Methode zu erklären ist, oder ob die an Reinkulturen beobachteten SP-Unterschiede zwischen Pilzen und Bakterien nicht auf mikrobielle Gemeinschaften der Versuchsböden übertragbar sind. Im Hinblick auf nach wie vor bestehende methodische Defizite bei der Untersuchung der Pilzdenitrifikation im Boden sollte dies in weitergehenden Studien geklärt werden.

This dissertation investigates how the magnetic properties of strontium hexaferrite change upon the substitution of foreign atoms at the Fe sites. Strontium hexaferrite, SrFe12O19 is a commonly used hard magnetic material and is produced in large quantities (around 500,000 tons per year). For different applications of strontium hexaferrite, its magnetic properties can be tuned by a proper substitution of the foreign atoms. Experimental screening for a proper substitution is a cost-intensive and time-consuming process, whereas computationally it can be done more efficiently. We used the ‘density functional theory’ a first principles based method to study substituted strontium hexaferrite. The site occupancies of the substituted atoms were estimated by calculating the substitution energies of different configurations. The formation probabilities of configurations were used to calculate the magnetic properties of substituted strontium hexaferrite. In the first study, Al-substituted strontium hexaferrite, SrFe12-xAl x O19, with x = 0.5 and x = 1.0 were investigated. It was found that at the annealing temperature the nonmagnetic Al+3 ions preferentially replace Fe+3 ions from the 12k and 2a sites. We found that the magnetization decreases and the magnetic anisotropy field increases as the fraction, x of the Al atoms increases. In the second study, SrFe12-x Gax O19 and SrFe12-x Inx O19 with x = 0.5 and x = 1.0 were investigated. In the case of SrFe12-x Gax O19, the sites where Ga+3 ions prefer to enter are: 12k, 2a, and 4f1. For SrFe12-x Inx O19, In+3 ions most likely to occupy the 12k, 4f1, and 4f2 sites. In both cases the magnetization was found to decrease slightly as the fraction of substituted atom increases. The magnetic anisotropy field increased for SrFe12-x Gax O19, and decreased for SrFe12-x Inx O19 as the concentration of substituted atoms increased. In the third study, 23 elements (M) were screened for their possible substitution in strontium hexaferrite, SrFe12-x Mx O19 with x = 0.5. In each case the site preference of the substituted atom and the magnetic properties were calculated. We found that Bi, Ge, Sb, Sn, and Sc can effectively increase the magnetization, and Cr, P, Co, Al, Ga, and Ti can increase the anisotropy field when substituted into strontium hexaferrite.

Les rétrotransposons L1 (Long INterspersed Element-1) sont des éléments génétiques mobiles dont l'activité contribue à la dynamique du génome humain par mutagenèse insertionnelle. Les conséquences génétiques et épigénétiques d'une nouvelle insertion, et la capacité d'un L1 à être remobilisé, sont directement liées au site d’intégration dans le génome. Aussi, l’analyse des sites d’intégration des L1s est capitale pour comprendre leur impact fonctionnel - voire pathogène -, en particulier lors de la tumorigenèse ou au cours du vieillissement, et l’évolution de notre génome. Dans ce but, nous avons induit de façon expérimentale la rétrotransposition d'un élément L1 actif plasmidique dans des cellules en culture. Puis, nous avons cartographié les insertions obtenues de novo dans le génome humain grâce à une méthode de séquençage à haut-débit, appelée ATLAS-seq. Finalement, les sites pré-intégratifs identifiés par cette approche ont été analysés en relation avec un grand jeu de données publiques regroupant les caractéristiques structurales, génétiques ou épigénétiques de ces loci. Ces expériences ont révélé que les éléments L1 s’intègrent préférentiellement dans des régions de la chromatine faiblement exprimées et renfermant des activateurs faibles. Nous avons aussi trouvé plusieurs positions chromosomiques qui constituent des points chauds d'intégrations récurrentes. Nos résultats indiquent que la distribution des insertions de L1 de novo n’est pas aléatoire, que ce soit à l’échelle chromosomique ou à plus petite échelle, et ouvrent la porte à l'identification des déterminants moléculaires qui contrôlent la distribution chromosomique des L1s dans notre génome / Retrotransposons are mobile genetic elements that employ an RNA intermediate and a reverse transcription step for their replication. Long INterspersed Elements-1 (LINE-1 or L1) form the only autonomously active retrotransposon family in humans. Although most copies are defective due to the accumulation of mutations, each individual genome contains an average of 100 retrotransposition-competent L1 copies, which contribute to the dynamics of contemporary human genomes. L1 integration sites in the host genome directly determine the genetic consequences of the integration and the fate of the integrated copy. Thus, where L1 integrates in the genome, and whether this process is random, is critical to our understanding of human genome evolution, somatic genome plasticity in cancer and aging, and host-parasite interactions. To characterize L1 insertion sites, rather than studying endogenous L1 which have been subjected to evolutionary selective pressure, we induced de novo L1 retrotransposition by transfecting a plasmid-borne active L1 element into HeLa S3 cells. Then, we mapped de novo insertions in the human genome at nucleotide resolution by a dedicated deep-sequencing approach, named ATLAS-seq. Finally, de novo insertions were examined for their proximity towards a large number of genomic features. We found that L1 preferentially integrates in the lowly-expressed and weak enhancer chromatin segments. We also detected several hotspots of recurrent L1 integration. Our results indicate that the distribution of de novo L1 insertions is non-random both at local and regional scales, and pave the way to identify potential cellular factors involved in the targeting of L1 insertions