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In der vorliegenden Arbeit wurde die Beeinflussung der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenwasser, Interstitial und Grundwasser durch eutrophierungsbedingte Kolmationszyklen in einem anthropogen belasteten Fließgewässer (Lahn, Hessen) untersucht. Dabei wurden Mesokosmosexperimente und Freilanduntersuchungen an einer hyporhithralen Pool-Riffle-Sequenz miteinander kombiniert und die Ergebnisse vergleichend interpretiert. Im Rahmen der Arbeit wurde ein experimenteller Versuchsstand aufgebaut, der aus einer kontinuierlich durchströmten Sedimentsäule bestand und in einem mobilen Laborcontainer an der Lahn installiert war. Mit Hilfe dieses mesoskaliges Sedimentkörperexperimentes wurden jahreszeitliche Verlaufsmuster der inneren Kolmation analysiert, parametrisiert und mit physikalischen (Schwebstoffdynamik) und biologischen Kolmationskomponenten in Beziehung gesetzt. Besonderer Fokus lag dabei auf der Entwicklung des Periphytons, das in eutrophierten Fliessgewässern verstärkender Faktor der Kolmation werden kann. Ferner ließ sich mit dem aufgebauten Sedimentkörperexperiment der Einfluss von Kolmation auf Stoffumsetzungsprozesse (O2) im Interstitial modellhaft erfassen. In einem zweiten mesoskaligen Versuchsstand wurde die Bedeutung der hyporheischen Meiofauna für biogene Dekolmationsvorgänge (Fraß und Bioturbation) untersucht.

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In der vorliegenden Arbeit wurde die Beeinflussung der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenwasser, Interstitial und Grundwasser durch eutrophierungsbedingte Kolmationszyklen in einem anthropogen belasteten Fließgewässer (Lahn, Hessen) untersucht. Dabei wurden Mesokosmosexperimente und Freilanduntersuchungen an einer hyporhithralen Pool-Riffle-Sequenz miteinander kombiniert und die Ergebnisse vergleichend interpretiert. Im Rahmen der Arbeit wurde ein experimenteller Versuchsstand aufgebaut, der aus einer kontinuierlich durchströmten Sedimentsäule bestand und in einem mobilen Laborcontainer an der Lahn installiert war. Mit Hilfe dieses mesoskaliges Sedimentkörperexperimentes wurden jahreszeitliche Verlaufsmuster der inneren Kolmation analysiert, parametrisiert und mit physikalischen (Schwebstoffdynamik) und biologischen Kolmationskomponenten in Beziehung gesetzt. Besonderer Fokus lag dabei auf der Entwicklung des Periphytons, das in eutrophierten Fliessgewässern verstärkender Faktor der Kolmation werden kann. Ferner ließ sich mit dem aufgebauten Sedimentkörperexperiment der Einfluss von Kolmation auf Stoffumsetzungsprozesse (O2) im Interstitial modellhaft erfassen. In einem zweiten mesoskaligen Versuchsstand wurde die Bedeutung der hyporheischen Meiofauna für biogene Dekolmationsvorgänge (Fraß und Bioturbation) untersucht.

Aufgrund ihrer niedrigen Stoffwechselrate zeigen Puppen des Atlasspinners Attacus atlas diskontinuierlichen Gasaustausch (DGC) mit drei deutlich getrennten Phasen. Andererseits sind einzelne Stigmen entweder vollständig offen oder vollständig geschlossen. In dieser Arbeit wurden Attacus Puppen mit künstlichen Gasmischungen perfundiert, um das Steady-State Verhalten der Stigmen zu ermitteln. Es konnte gezeigt werden, daß die Flutterphase des DGC kein Gleichgewichtsverhalten darstellt. Weiterhin deuteten die Ergebnisse der Perfusion auf eine mögliche Interaktion zweier unabhängiger Regelkreise hin. Zwei mathematische Modelle untersuchten daraufhin mögliche theoretische Mechanismen, welche die beobachteten Muster erzeugen könnten. Die Modelle erlaubten die Erzeugung der Gasaustauschmuster ohne komplexe neurale Integration und deuten auf eine rein passive Erzeugung des DGC. Die Diskussion erläutert mögliche biologische Mechanismen, welchen den abstrakten Beschreibungen der Modelle zu Grunde liegen könnten. Sowohl die Perfusion als auch die Modelle sind dabei mit der ''Emergent Property Hypothesis'' der DGC Entstehung vereinbar. Zusätzlich wird dargelegt, wie alternative Hypothesen widerspruchslos in das sich abzeichnende Bild eingefügt werden können. / While having low metabolic activity, pupae of the giant silk moth Attacus atlas show triphasic discontinuous gas exchange cycles (DGC). However, a single spiracle is either fully open or fully closed. In this study moth pupae have been perfused to assess the steady state behavior of the spiracles in response to the endotracheal gas composition. It could be shown that the flutter phase of DGC is not a steady state behavior. Moreover, the results from the perfusion hint to a possible interaction between two independent spiracle control mechanisms. Two mathematical models then explore possible mechanisms of generating the observed respiratory patterns during DGC. The models indicate that DGC might be generated without complex neural integration and might thus be a purely ''passive'' pattern. The discussion focuses on biological processes and mechanisms that may back the abstract descriptions in the models. Both, the perfusion and the two mathematical models, are consistent with the emergent property hypothesis of DGC origin. However, it is discussed that other existing hypotheses are not mutually exclusive and that they can be subsumed using the non-adaptive emergent property hypothesis as a framework.

Background: This work presents a generalized technique to estimate pulmonary ventilation-to-volume (v/V) distributions using the multiple-breath nitrogen washout, in which both tidal volume (VT) and the end-expiratory lung volume (EELV) are allowed to vary during the maneuver. In addition, the volume of the series dead space (vd), unlike the classical model, is considered a common series unit connected to a set of parallel alveolar units. Methods: The numerical solution for simulated data, either error-free or with the N2 measurement contaminated with the addition of Gaussian random noise of 3 or 5 % standard deviation was tested under several conditions in a computational model constituted by 50 alveolar units with unimodal and bimodal distributions of v/V. Non-negative least squares regression with Tikhonov regularization was employed for parameter retrieval. The solution was obtained with either unconstrained or constrained (VT, EELV and vd) conditions. The Tikhonov gain was fixed or estimated and a weighting matrix (WM) was considered. The quality of estimation was evaluated by the sum of the squared errors (SSE) (between reference and recovered distributions) and by the deviations of the first three moments calculated for both distributions. Additionally, a shape classification method was tested to identify the solution as unimodal or bimodal, by counting the number of shape agreements after 1000 repetitions. Results: The accuracy of the results showed a high dependence on the noise amplitude. The best algorithm for SSE and moments included the constrained and the WM solvers, whereas shape agreement improved without WM, resulting in 97.2 % for unimodal and 90.0 % for bimodal distributions in the highest noise condition. Conclusions: In conclusion this generalized method was able to identify v/V distributions from a lung model with a common series dead space even with variable VT. Although limitations remain in presence of experimental noise, appropriate combination of processing steps were also found to reduce estimation errors.

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Background: This work presents a generalized technique to estimate pulmonary ventilation-to-volume (v/V) distributions using the multiple-breath nitrogen washout, in which both tidal volume (VT) and the end-expiratory lung volume (EELV) are allowed to vary during the maneuver. In addition, the volume of the series dead space (vd), unlike the classical model, is considered a common series unit connected to a set of parallel alveolar units. Methods: The numerical solution for simulated data, either error-free or with the N2 measurement contaminated with the addition of Gaussian random noise of 3 or 5 % standard deviation was tested under several conditions in a computational model constituted by 50 alveolar units with unimodal and bimodal distributions of v/V. Non-negative least squares regression with Tikhonov regularization was employed for parameter retrieval. The solution was obtained with either unconstrained or constrained (VT, EELV and vd) conditions. The Tikhonov gain was fixed or estimated and a weighting matrix (WM) was considered. The quality of estimation was evaluated by the sum of the squared errors (SSE) (between reference and recovered distributions) and by the deviations of the first three moments calculated for both distributions. Additionally, a shape classification method was tested to identify the solution as unimodal or bimodal, by counting the number of shape agreements after 1000 repetitions. Results: The accuracy of the results showed a high dependence on the noise amplitude. The best algorithm for SSE and moments included the constrained and the WM solvers, whereas shape agreement improved without WM, resulting in 97.2 % for unimodal and 90.0 % for bimodal distributions in the highest noise condition. Conclusions: In conclusion this generalized method was able to identify v/V distributions from a lung model with a common series dead space even with variable VT. Although limitations remain in presence of experimental noise, appropriate combination of processing steps were also found to reduce estimation errors.