In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur mikrobiellen Aktivität von Pseudomonas putida DSM12735 durchgeführt. Als Messgröße diente die mikrobielle Wärmeleistung, basierend auf dem Stoffumsatz durch die Mikroorganismen. Ziel war es, die Vor- und Nachteile der verwendeten Kalorimeter herauszuarbeiten. Dafür wurden klassische Batch-Wachstumskurven aufgenommen. Ein weiteres Ziel bestand darin, eine Methode zur schnellen kalorimetrischen Detektion der mikrobiellen Aktivität insbesondere für die stationäre Phase zu entwickeln. In dieser Phase findet kein signifikanter Stoffumsatz statt. Durch das gezielte Auslösen einer zweiten Wachstumsphase und damit einem Stoffumsatz wird die mikrobielle Aktivität kalorimetrisch wieder messbar. Eingesetzt wurden folgende Kalorimeter: der Thermal Activity Monitor 2277 (TAM) mit den Kalorimetern Micro Reaction System 2250-4 ml und 2250-20 ml (kurz: TAM-4ml, TAM-20ml), das IC-Chip-Kalorimeter FCC22 (Institut für Physikalische Chemie, TU Freiberg) und das Kalorimeter Micro-DSC II (MDSC).

Thema: Rüstungskontrolle, Nichtverbreitung, Abrüstung - Übersetzung a. d. Russ. u. Engl.; • Synopse zum Diskurs über Regeltreue - Russland vs. Vereinigte Staaten (2017-2020) - Übersetzung a. d. Engl.: • U.S. Compliance Report 2020: Bericht des Außenministeriums der Vereinigten Staaten an den Kongress vom April/ Juni 2020 (dt.):• Vorwort des Herausgebers, Anmerkungen zu den Übersetzungen • Synopse von Rainer Böhme: Zum Diskurs über Regeltreue - Russland vs. Vereinigte Staaten (2017-2020). Anhang: Übersetzung a. d. Engl. von Rainer Böhme: • U.S. Compliance Report: Bericht des Außenministeriums der Vereinigten Staaten an den Kongress vom (April) Juni 2020: 'Adherence to and compliance with arms control, nonproliferation and disarmament and commitments'

The public perception of ionising radiation focuses on its exploitation for energy production and medicine (diagnostics, therapy). In contrast, natural sources of ionising radiation are rarely considered, which contribute to more than half of the total radiation exposure. With regard to biological consequences, stochastic radiation effects (e. g. mortality of radiation-induced cancer, genetic effects), where the probability increases with dose, and deterministic radiation effects (pathological changes, e. g. changes of gonads, embryo and fetus) for which severity increases with dose, must be distinguished. Ionizing radiation is frequently linked to various risks (cancer, genetic damage, acute radiation syndrome). Usually, these risks are over-estimated. / Bei der öffentlichen Auseinandersetzung mit ionisierender Strahlung steht deren Nutzung im Rahmen der Energieerzeugung und der Medizin (Diagnostik, Strahlentherapie) im Vordergrund. Selten wird bedacht, dass ionisierende Strahlung auch natürlich vorkommt und damit mehr als die Hälfte der Gesamt-Strahlenbelastung bedingt. Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung wird eingeteilt in stochastische Effekte, bei denen die Wahrscheinlichkeit eines Effektes mit der Dosis zunimmt (z. B. Tod durch strahleninduzierten Krebs, genetische Effekte), sowie deterministische Effekte (pathologische Veränderungen, z. B. an Fortpflanzungsorganen oder der Leibesfrucht), bei denen der Schweregrad dosisabhängig ist. Ionisierende Strahlung wird häufig mit verschiedenen Risiken (Krebs, Erbschäden, Strahlenkrankheit) in Verbindung gebracht, wobei diese in der Regel überschätzt werden.

Biological matter is driven far from thermodynamic equilibrium by active processes on the molecular scale. These processes are usually driven by the chemical reaction of a fuel and generate spontaneous movements and mechanical stresses in the system, even in the absence of external forces or torques. Moreover these active stresses effectively fluidify the material. The cell cytoskeleton, suspensions of swimming microorganisms or tissues are prominent examples of active fluids. Active processes in biological systems often exhibit chiral asymmetries. Examples are the chirality of cytoskeletal filaments which interact with motor proteins, the chirality of the beat of cilia and flagella as well as the helical trajectories of many biological micro-swimmers. Moreover, large scale chiral flows have been observed in the cell cortex of C. elegans and Xenopus embryos. Active force generation induces force and torque dipoles in the material. If all forces are internal the total force and torque vanish as required by the conservation of momentum and angular momentum. The density of force dipoles is an active stress in the material. In addition, active chiral processes allow for the existence of active torque dipoles which enter the conservation of angular momentum and generate an active antisymmetric stress and active angular momentum fluxes. We developed a generic description of active fluids that takes into account active chiral processes and explicitly keeps track of spin and orbital angular momentum densities. We derived constitutive equations for an active chiral fluid based on identifying the entropy production rate from the rate of change of the free energy and linearly expanding thermodynamic fluxes in terms of thermodynamic forces. We identified four elementary chiral motors that correspond to localized distributions of chiral force and torque dipoles that differ by their symmetry and produce different chiral fluid flows and intrinsic rotation fields. We employ our theory to analyze different active chiral processes. We first show that chiral flows can occur spontaneously in an active fluid even in the absence of chiral processes. For this we investigate the Taylor-Couette motor, that is an active fluid confined between two concentric cylinders. For sufficiently high active stresses the fluid generates spontaneous rotations of the two cylinders with respect to each other thus breaking the chiral symmetry of the system spontaneously. We then investigate cases where active chiral processes on the molecular scale break the chiral symmetry of the whole system. We show that chiral flows occur in films of chiral motors and derive a generic theory for thin films of active fluids. We discuss our results in the context of carpets of beating cilia or E. coli swimming close to a surface. Finally, we discuss chiral flows that are observed in the cellular cortex of the nematode C. elegans at the one cell stage. Two distinct chiral flow events are observed. The first chiral flow event (i) is a screw like chiral rotation of the two cell halves with respect to each other and occurs around 15min after fertilization. This event coincides with the establishment of cortical cell polarity. The second chiral flow event (ii) is a chiral rotation of the entire cell cortex around the anterior posterior axis of the whole cell and occurs around 30min after fertilization. Measuring densities of molecular motors during episode (i) we fit the flow patterns observed using only two fit parameters: the hydrodynamic length and cortical chirality. The flows during (ii) can be understood assuming an increase of the hydrodynamic length. We hypothesize that the cell actively regulates the cortical viscosity and the friction of the cortex with the eggshell and cytosol. We show that active chiral processes in soft biological matter give rise to interesting new physics and are essential to understand the material properties of many biological systems, such as the cell cortex.

Die räumliche und zeitliche Organisation von Zellen während Embryonalentwicklung, Regeneration oder Erneuerung von Geweben ist eine faszinierende Fähigkeit lebender Organismen. Dazu benötigen die Zellen Informationen über ihre Position im Organismus. Diese Informationen werden oft in Form von Signal- oder Morphogengradienten bereitgestellt, also von Signalmolekülen, die Konzentrationsprofile im Raum bilden. Plattwürmer (Planarien) sind ein sehr geeigneter Modellorganismus, um solche Gewebeorganisationsprozesse zu erforschen, weil sie kontinuierlich alle Zellen ihres Körpers erneuern und aus kleinsten Gewebestücken regenerieren können. Bei einer Körperlänge von bis zu 2 cm muss Gewebe auf größeren Längenskalen organisiert werden, als es für die Embryonalentwicklung in anderen Spezies nötig ist. Trotzdem treten auch in Planarien Signalgradienten auf. Ihre Hauptkörperachse wird, wie bei anderen Tieren auch, von einem Wnt-Signalgradienten organisiert. Experimentelle Beobachtungen legen nahe, dass ein positiver Feedbackmechanismus, in dem ein Wnt-Signal zur Erzeugung von mehr Wnt-Molekülen führt, wesentlich zur Bildung dieses Gradienten beiträgt. Inspiriert durch diese Beobachtungen stellen wir in dieser Arbeit einen Mechanismus zur Ausbildung von Signalgradienten vor, der auf positivem Feedback basiert. Um die besondere Bedeutung der Zellen für dieses Feedback berücksichtigen zu können, ist das hier präsentierte Modell diskret und besteht aus Zellen und Extrazellularräumen. Das positive Feedback sorgt für eine Signalübertragung von Zelle zu Zelle, wobei die Konzentration der extrazellulären Signalmoleküle die Konzentration des intrazellulären Effektors positiv reguliert, was wiederum zur Bildung von mehr Signalmolekülen führt. Wir zeigen, dass dieser Signalübertragungsmechanismus langreichweitige Signalgradienten mit einer Längenskala von mehreren hundert Zellen, also in der Größenordnung von Millimetern, ausbildet. Die Längenskala wird durch die Stärke des positiven Feedbacks reguliert. Eine entsprechende Regulation der Feedbackstärke ermöglicht es, die Längenskala des Signalgradienten an die Größe des Systems anzupassen. Erfolgt die Sekretion der Signalmoleküle, die die Zellen als Antwort auf das Feedback produzieren, gerichtet, führt das zu einer gerichteten Ausbreitung der Signalmolekülkonzentration im System, also zu Drift. Auf diese Weise können bei biologisch relevanten Werten des Diffusionskoeffizienten und der Degradationsrate der Signalmoleküle Signalgradienten mit einer Längenskala von mehreren zehn bis hundert Zellen in Stunden bis Tagen gebildet werden. Im Unterschied zum Diffusions/Degradations-Mechanismus, der häufig zur Erklärung von Gradientenbildung im Kontext von Embryonalentwicklung herangezogen wird, benötigt der in dieser Arbeit präsentierte Signalübertragungsmechanismus also weder sehr schnell diffundierende noch sehr langlebige Moleküle, um die Bildung von langreichweitigen Signalgradienten auf biologisch relevanten Zeitskalen zu erklären. Da viele Morphogene langsam diffundieren, macht das den Zell-zu-Zell-Signalübertragungsmechanismus zu einem attraktiven Konzept, um die Bildung von langreichweitigen Morphogengradienten zu erklären. / Embryonic development, regeneration, and tissue renewal are spectacular tissue-patterning events. Tissue patterning requires information. This information is often provided by signalling molecules that form graded concentration profiles in space, referred to as signalling gradients or morphogen gradients. Planarian flatworms are an ideal model organism to study tissue patterning as they constantly turn over all of their tissues and are able to regenerate from arbitrary amputation fragments. At a body length of up to 2 cm, planarians are orders of magnitudes larger than tissues organised during embryonic development in other species. Yet, flatworms employ signalling gradients for tissue patterning. Like in other organisms throughout the animal kingdom, their main body axis is patterned by a Wnt signalling gradient. Experiments have suggested a positive feedback mechanism of Wnt-mediated Wnt expression to be implicated in the formation of this Wnt signalling gradient in planarians. Inspired by these observations, in this thesis we present a cell-to-cell relay mechanism based on positive feedback to explain long-ranged signalling gradient formation. To account for the cellular nature of the relay, we built a discrete model, that considers individual cells and extracellular spaces. The relay is generated by a positive feedback loop in which extracellular signalling levels positively regulate intracellular effector concentrations which in turn leads to production of more extracellular signalling molecules. We show that a cell-to-cell relay gives rise to steady-state gradients reaching length scales of the order of hundreds of cells, corresponding to millimetres. The length scale is regulated by the strength of the feedback, which allows scaling the steady-state gradient to tissue size by adapting the feedback strength. Polarised secretion of signalling molecules in response to the positive feedback leads to an effective drift of signalling molecule concentration through the system. This allows the formation of signalling gradients with a length scale of tens to hundreds of cells (millimetres) within hours to days for a physiologically relevant diffusion coefficient and degradation rate of the signalling molecules. Thus, in contrast to a diffusion/degradation-based mechanism that is widely used to explain signalling gradient formation during embryonic development, the relay mechanism requires neither extraordinarily quickly-diffusing nor very long-lived signalling molecules to explain the formation of long-ranged signalling gradients on biologically relevant time scales. The cell-to-cell relay mechanism is therefore an attractive concept to explain the long-ranged patterning effects of poorly diffusive morphogens.

Derzeit gibt es eine intensive Debatte über die Notwendigkeit, Variationen der relativen biologischen Wirksamkeit (RBE) in der Protonentherapie zu berücksichtigen. Hier wurde die Variabilität der RBE für späte strahleninduzierte Hirnverletzungen (RIBI) untersucht, die nach einer Protonentherapie von Gliom-Hirntumorpatienten diagnostiziert wurden. Eine Gliomkohorte wurde definiert und auf späte RIBI untersucht, die in der Patienten-Nachsorge beobachtet wurden. Die RIBI Läsionen wurden mit linearen Energietransfer- und variablen RBE-Verteilungen korreliert, die unter Verwendung eines etablierten Monte-Carlo Frameworks berechnet wurden. Ein klinisches RBE Modell wurde erstellt und zur Evaluierung neuartiger Behandlungsstrategien angewendet. Die periventrikuläre Region wurde als anatomischer Risikofaktor für RIBI identifiziert und als neues Risikoorgan in die Protonenbehandlungsplanung an der Universitäts Protonen Therapie Dresden aufgenommen. Die Arbeit demonstriert die klinische Relevanz und präsentiert erste translatorische Schritte hin zur biologisch optimierten Protonentherapie unter Verwendung einer variablen RBE. / Currently, there is an intense debate on the need to consider variations in relative biological effectiveness (RBE) in proton therapy. Here, the variability of RBE was investigated for late radiation-induced brain injuries (RIBI) observed after proton therapy in glioma brain tumor patients. A glioma cohort was defined and evaluated for late RIBI observed in patient follow-up. Injury lesions were correlated to linear energy transfer and variable RBE distributions simulated using an established Monte-Carlo framework. A clinical RBE model was established and applied in treatment response assessment of novel treatment strategies. The periventricular region was identified as an anatomical risk factor for RIBI and incorporated as a new organ at risk in proton treatment planning at University Proton Therapy Dresden. The thesis demonstrates the clinical relevance and presents first translational steps towards biologically optimized proton therapy using a variable RBE.

Motile cilia are hair-like cell appendages that actively bend themselves, thus driving the surrounding fluid in motion. For many microorganisms, such as unicellular Paramecium, cilia are essential for their motility. Higher animals, including mammals, utilize cilia for transporting fluids. For example, in humans, large collections of cilia, called cilia carpets, remove mucus and pathogens from the airways. Cilia constitute an example of biological oscillators that can spontaneously synchronize their beat in the form of metachronal waves, i.e., traveling waves of cilia phase. These waves may arise purely by hydrodynamic interactions between the cilia and supposedly enhance fluid transport. Our goal is to theoretically understand how the properties of individual cilia, e.g., cilia beat pattern, determine the emergent behavior, e.g., the direction of the metachronal wave. Additionally, we address the robustness of hydrodynamically-induced synchronization with respect to intrinsic active fluctuations of the cilia beat and disorder of intrinsic cilia frequencies. Both of these effects are not yet well understood. In this thesis, we studied metachronal synchronization in cilia carpets using a theoretical physicist’s toolbox. First, we proposed a novel multi-scale modeling framework Lagrangian Mechanics of Active Systems (LAMAS) to describe fluid-structure interactions for active elastic structures, such as cilia. We quantified hydrodynamic interactions between cilia using detailed hydrodynamic simulations with a realistic cilia beat pattern. In the dynamical simulations for N = 2 cilia, we found that cilia would synchronize either in-phase or anti-phase, depending on their relative positions. For a lattice of N ≫ 1 cilia, we found the emergence of metachronal waves, many of which are locally stable. Nevertheless, just a single wave has a predominantly large basin of attraction, i.e., it is likely to be selected from a random initial condition. In the presence of noise, synchronization abruptly breaks up beyond a characteristic noise strength. Likewise, for cilia with non-identical intrinsic frequencies, synchronization is lost beyond a characteristic level of frequency disorder. In large cilia carpets, noise excites long-wavelength perturbations, whose relaxation times are proportional to the square of the system length. Thus, in large systems, we predict locally synchronized domains, instead of the global synchronization.

Ziel der Veröffentlichung ist es, wesentliche Ergebnisse und Erkenntnisse über das Ökofeld der Versuchsstation Roda, auch im Vergleich zu anderen ähnlichen Einrichtungen, zusammenfassend vorzustellen. Die Arbeit richtet sich vor allem an interessierte Landwirte, Verbände und die Beratung. Zu den markantesten Ergebnissen des Ökofeldes gehört, dass die Erträge der Feldfrüchte nach 17 Jahren ökologischer Bewirtschaftung auf einem vergleichsweise hohen Niveau liegen. Für den Durchschnitt der Winterweizenerträge nur 23 % niedriger gegenüber dem mittleren konventionellen Ertragsniveau in Sachsen. Im Ertragsniveau und im Erhalt der Bodenfruchtbarkeit war das Fruchtfolgesystem mit organischer Düngung dem System ohne Viehhaltung z. T. deutlich überlegen. Bewirtschaftungsformen mit Viehhaltung waren weniger anfällig gegenüber ungünstigen Veränderungen einzelner Merkmale des Nährstoffmanagements und waren damit einfacher zu führen als die Fruchtfolgesysteme ohne Vieh. Bei viehloser Bewirtschaftung muss ein höherer Aufwand zur Kontrolle der Bodenfruchtbarkeit betrieben werden, damit ggf. rechtzeitig Informationen zur Kurskorrektur in der Ausgestaltung der Fruchtfolgen und der Düngung vorliegen.:1 Einleitung 2 Natürliche Standortbedingungen 3 Anlagekonzept und Fruchtfolgen des Ökofeldes 4 Bewirtschaftungsmaßnahmen 5 Boden- und Pflanzenuntersuchungen 6 Entwicklung der Humus- und Nährstoffversorgung des Bodens 7 Ertragsentwicklung und Qualität der Ernteprodukte 8 Humus- und Nährstoffbilanzen 9 Diskussion und Schlussfolgerungen 10 Zusammenfassung 11 Danksagung 12 Literaturverzeichnis 13 Anlagen

Als Ziel der Veröffentlichung wird eine Gesamtauswertung der Ergebnisse eines Dauerversuches zur Grunddüngung vorgenommen. Eine steigende organische Düngung von 0 – 160 kg N/ha führte zu einer Zunahme der GE-Erträge der Fruchtfolge auf 107 – 141 %. Trotz sehr niedriger P-Versorgung des Bodens wurde je nach Fruchtart nur eine geringe Ertragswirkung zwischen 101 – 104 % in Folge steigender Rohphosphatdüngung mit Dolophos (0 – 60 kg P/ha) nachgewiesen. Durch eine mineralische K-Düngung von 0 – 160 kg K/ha kam es zu einer Erhöhung der GE-Erträge der Fruchtarten um bis zu 125 % im Vergleich zu keiner Düngung (= 100 %). Im Mittelpunkt der Auswertungen standen sowohl die erzielten Erträge und Qualitäten der Haupt- und Nebenprodukte der Fruchtarten als auch die zeitlichen Veränderungen der verschiedenen Bodenparameter in der Ackerkrume und im Untergrund in Abhängigkeit von den jeweiligen Prüffaktoren. Darüber hinaus wurde eine Gewichtung der erhaltenen Ergebnisse zur P- und K-Versorgung des Bodens an einem überregionalen Verbund an Versuchen aus 8 Bundesländern vorgenommen. Zur allgemeinen Bewertung der Wirkung der organischen Düngung auf die Erträge der Fruchtarten kam erstmals ein System auf Basis der N-Bilanzierung zum Einsatz. Die Veröffentlichung richtet sich an Berater sowie Einrichtungen zur Forschung und Entwicklung mit Schwerpunkt Pflanzenernährung und Düngung.:1 Einleitung und Problemstellung 2 Material und Methoden 2.1 Standortbeschreibung 2.2 Versuchsbeschreibung 2.3 Methoden der Pflanzen- und Bodenanalyse 2.4 Mathematisch-statistische Methoden 3 Ergebnisse 3.1 Gesteigerter Einsatz von organischen Düngern 3.2 Ergebnisse der P-Steigerung 3.3 Ergebnisse der K-Steigerung 3.4 Zusammenhänge zwischen den Merkmalen 4 Diskussion und Schlussfolgerungen 4.1 Einschätzung der organischen Düngung 4.2 Einschätzung der mineralischen P-Düngung 4.3 Einschätzung der mineralischen K-Düngung 4.4 Hinweise zur Weiterentwicklung von Methoden zur Düngebedarfsermittlung 5 Zusammenfassung 6 Literaturverzeichnis 7 Anhang

Im Mittelpunkt der Arbeit steht die prozess- und steuerungstechnische Untersuchung der biologischen Trocknung von Restabfällen im dynamischen Reaktor. Die gezielte Kombination von biologischen und mechanischen Prozessen innerhalb eines Reaktors führt zu Eigenschaften des Outputmaterials, die die prinzipielle Überlegenheit des dynamischen Reaktors hinsichtlich Prozessbeeinflussbarkeit und Produktqualität deutlich belegen. Die vorgestellte Steuerungslösung besteht aus einem Modul zur Klassensteuerung, der in eine übergeordnete Ablaufsteuerung eingebettet wurde. Diesem Aufbau liegt die Feststellung zu Grunde, dass beim diskontinuierlich geführten Prozess die Eigenschaften des Reaktor-Abfall-Systems von Charge zu Charge sehr unterschiedlich ausfallen können. Mit fortschreitender Prozesszeit können bestimmte Eigenschaften, im konkreten Fall Wassergehalt und Aktivität des Materials aus dem Prozessverlauf selbst bestimmt werden. Voraussetzung dazu ist die Schaffung von vergleichbaren Prozessbedingungen durch eine vorgegebene Reihenfolge von Handlungen zu Beginn des Prozesses. Ab einem bestimmten Informationsstand kann die bis dahin schematische in eine automatische Prozessführung überführt werden. In dieser werden an die aktuelle Prozesssituation angepasste Handlungen ausgeführt.