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The mechanisms underlying the effect of alterations in Type I collagen on bone mechanical properties are not well defined. Clinical tools for evaluating fracture risk, such as dual energy x-ray absorptiometry (DXA) and quantitative ultrasound (QUS) focus on bone mineral and cannot detect changes in the collagen matrix. The mechanical response tissue analyzer (MRTA) is a potential tool for evaluating fracture risk. Thus, the focus of this work was to investigate the effects of collagen degradation on bone mechanical properties and examine whether clinical tools can detect these changes. Female and male emu tibiae were endocortically treated with 1 M potassium hydroxide (KOH) solution for 1-14 days and then either mechanically tested in three-point bending, fatigued to failure or fatigued to induce stiffness loss. Computed Tomography scans, DXA, QUS, MRTA and three-point bend testing in the elastic region were performed on emu tibiae before and after either KOH treatment or fatigue to induce stiffness loss. Fracture surfaces were examined to determine failure mechanisms. Bone mineral and bone collagen were characterized using appropriate techniques. Bone mineral-collagen interface was investigated using Raman spectroscopy and atomic force microscopy (AFM). Endocortical KOH treatment does not affect bone mineral however, it causes in situ collagen degradation, rather than removal and may be weakening the mineral-collagen interface. These changes result in significantly compromised mechanical properties. Emu tibiae show significant decreases in failure stress and increased failure strain and toughness, with increasing KOH treatment time. The significant increase in toughness of KOH treated bones is due to structural alterations that enhance the ability of the microstructure to dissipate energy during the failure process, thereby slowing crack propagation, as shown by fracture surface analysis. KOH treated samples exhibit a lower fatigue resistance compared to untreated samples at high stresses only for both sexes. Partial fatigue testing results in similar decreases in modulus for all groups and sexes. The MRTA detected these changes whereas DXA and QUS did not. MRTA detects changes in bone mechanical properties induced by changes in collagen quality and fatigue and could be a more effective tool for predicting fracture risk.

Microbial mats are natural heterotrophic and autotrophic communities dominated by cyanobacteria (blue-green algae). These constructed mats are durable, tolerant to a variety of toxins and resilient under changing environmental conditions. This research demonstrates that microbial mats provide an effective remediation treatment for 2,4,6 Trinitrotoluene (TNT) in water and soil. It showed that TNT is removed to undetectable limits after 5 days of treatment under any of the following conditions: light/dark; total light; total dark. This work also shows that in the presence of an inorganic material (lead), mats were able to remove both contaminants efficiently, thus making the microbial mat a good choice for mixed waste remediation. Kinetic studies performed during the first five hours of microbial treatment showed a pseudo first order reaction indicating that TNT removal is initially proportional to the concentration of TNT. The major metabolites detected after 24 hour of treatment were 4-amino-2,6- dinitrotoluene, 2-amino-4,6-dinitrotoluene, and 2,4-diamine-6-nitrotoluene. These metabolites have a toxicity level similar to TNT. However, mat extracts and growth medium concentrates taken after 24 hours treatment of TNT showed little or no toxicity. The lack of toxicity demonstrated by treated mat extracts and media concentrates suggest that these metabolites are not the final metabolic products. The chemical nature of these metabolites suggests that the chemical mechanism of biotransformation involves reduction of the nitro groups at the ortho and para position of the TNT structure. Results obtained from light and dark experiment suggest that photooxidation or photodegradation is not an important mechanism for degradation of TNT by mats. Results show that live mats likely degrade TNT via a biotransformation process. In comparison, heat killed mats show a much slower removal of TNT than live mats. TNT was the only species found in the water column and extracts of heat killed mats, which indicates that TNT is removed by a passive absorption process, but no evidence of biodegradation was observed.

The purpose of this study was to determine the factors affecting the acid degradation of chrysotile asbestos (Mg_3Si_2O_5(OH_4)) . Millions of tons of asbestos have found use in this country as insulative or ablative material. More than 95 percent of the asbestos in use is of the chrysotile variety. The remaining 5 percent is composed of various types of fibrous amphiboles. The inhalation of asbestos can lead to several diseases in humans. Asbestosis, lung cancer and mesothelioma are the most common afflictions associated with asbestos inhalation, and they may occur up to 40 years after the initial exposure. It has previously been reported that if more than 50 percent of the magnesium is removed from a chrysotile sample its carcinogenicity is reduced to nil. Several inorganic acids were studied to determine their ability to leach magnesium from chrysotile. It was found that the ability to leach magnesium was dependent upon the acidic anion in addition to the concentration of the acid. The ordering of the efficiency of the acids in their ability to remove magnesium from chrysotile was found to be HCl > H_2SO_4 > H_3PO_4 > HNO_3. Predictive equations were developed to allow the calculation of the amount of magnesium removed under various acid concentrations as a function of time and acid species. The effects of temperature and dissolved spectator cations upon the degradation process were also examined. There was no major effect on the amount of magnesium removed as a function of spectator cation concentration. An infrared method was also developed to allow the determination of the percent degradation of a chrysotile sample directly. The shifts in the positions of three silicate stretching peaks (1068 cm^-1, 948 cm^-1 and 715 cm^-1) and one magnesium oxygen stretching peak (415 cm"1) as a function of the percent magnesium removed were correlated to allow this determination.

La dégradation induite par éclairement (Light Induced Degradation : LID), s'exprimant par la perte de qualités électriques, est devenu un problème récurrent dans les modules photovoltaïques de silicium de qualité métallurgique (compensé en dopants). Compte tenu des nombreuses impuretés présentes dans ce matériau, la compréhension des mécanismes mis en jeu est très complexe et reste incomplète. Pour cette raison, les seuls mécanismes identifiés à ce jour sont liées à l'action de complexes BO2i. Les travaux réalisés durant cette thèse sur différentes qualités de plaquettes de silicium de type p, ont mis en évidence la participation d'une autre réaction, activée thermiquement à 0.68 eV. D'après nos résultats cette réaction, associée aux complexes CiOi, n'est pas systématique. Elle semble agir si les échantillons ont une concentration en carbone substitutionnel supérieure ou égale à celle du dopage net et s'ils sont soumis à des températures T ≥ 50°C. Cette réaction, intervenant dans la LID, est donc indépendante du degré de compensation du matériau. Nous avons également mis en évidence un phénomène de dégradation à l'obscurité (DID : Degradation In Dark), conduisant à des pertes électriques analogues à celles obtenues par la LID. Cette DID, apparaissant uniquement par chauffe, semble faire intervenir des réactions similaires à celles de la LID. Son étude permet de supposer que des impuretés primaires (lacunes, auto-interstitiel) participent également à ces phénomènes. / Light induced degradation (LID), leading to a deterioration of electrical properties, has become a recurring problem in photovoltaic modules based on metallurgical grade silicon. Due to the many impurities present in the material (compensated by dopants), the mechanisms involved in this phenomenon are very complex and not very well understood. For this reason, the only reactions identified are related to the action of BO2i complexes.Works carried out during this thesis on different grades of p-type silicon wafers have highlighted the involvement of another thermally activated reaction at 0.68 eV. According to our results, this reaction, associated with CiOi complexes, is not systematic. It seems to act if the samples have a substitutional carbon concentration greater than or equal to the net doping and if they are subjected to temperatures T ≥ 50° C. We also highlighted the emergence of a phenomenon of degradation in the dark (DID), leading to similar electrical losses to those obtained by LID. This DID, appearing only by heating, seems to involve similar reactions to LID. Its study allows us to assume that the primary impurities (vacancies, self-interstitials) are also involved in these phenomena.

Die Dornbusch-Savannen Zentralnamibias unterliegen großen Veränderungen. Teilweise handelt es sich dabei um Degradationsprozesse, die zu einem Verlust an Artenvielfalt und auch ökonomischem Wert dieser überwiegend als Rinderweide genutzten Systeme führen. Die Degradation drückt sich in der Savannenlandschaft zum einen durch Verkahlung aus (Desertifikation), vor allem aber durch die massive Ausbreitung einzelner Dornbuscharten wie Acacia mellifera, die zur Umwandlung gemischter Savannenvegetation in artenarme Dominanzbestände führt (Verbuschung). Andere Veränderungen erfolgen spontan und stellen eine Reaktion der Vegetation auf aktuelle Niederschlagsereignisse dar. Diese phänologischen Änderungen sind in der Regel reversibel. Als typische Veränderungsmechanismen konnten nutzungsbedingter und natürlicher reversibler oder irreversibler Vegetationsverlust und die Wiederbesiedelung verkahlter Flächen identifiziert werden. Des Weiteren gibt es moderate Schwankungen der Vegetationsdichte, zu denen die Verbuschungsprozesse und die Buschsterbe gehören. Die Buschsterbe ist eine Pilzerkrankung, die zum flächenhaften Absterben von Akazienbüschen, vor allem von Ac. mellifera führt. Auch der Einfluss von Feuer kann eine Ursache für Veränderungen sein. Um insbesondere das Ausmaß der Degradationsprozesse in Zentralnamibia zu erfassen und zu quantifizieren, wurde in dieser Arbeit ein fernerkundliches Change-Detection-Verfahren auf der Basis von Landsat-TM und ETM-Daten entwickelt. Die methodische Basis hierfür stellten das Image-Differencing und die modifizierte selektive Hauptkomponentenanalyse (sPCA) dar. Um auch Formparameter der veränderten Flächen zur Unterscheidung von Veränderungstypen heranziehen zu können, wurden die Ergebnisse des Differencings segmentiert und das Maß der Kompaktheit(Compactness) der Segmente extrahiert. Die Klassifikation der charakteristischen Veränderungen erfolgte über Ratios und Schwellenwerte von Einzelkanälen dieser Change-Datendatensätze und der Compactness, die aus charakteristischen Veränderungssignaturen abgeleitet wurden. Diese wurden anhand von Referenzflächen ermittelt, die auf Felddaten basierten. Als Referenz zur Ableitung der Signaturen diente dabei der Veränderungsdatensatz aus dem Vergleich der Landsat- Szenen von Mai 2000 und April 2003. Diese bitemporale Change-Detection-Methode wurde für das Hauptuntersuchungsgebiet (A) in Zentralnamibia auf insgesamt 8 Kombinationen aus 7 Landsat-Szenen im Zeitraum von 1984 bis 2003 angewendet. Damit wurde die Übertragbarkeit der Methode auf verschiedene Zeitschnitte getestet. Zur Abschätzung der Übertragbarkeit auf andere Naturräume wurde die Methode zudem auch auf jeweils ein Szenenpaar in der ariden zwergstrauchdominierten Nama-Karoo in Südnamibia und in einem feuchteren Dornsavannen-Trockenwaldgebiet in der Kavango-Region Nordnamibias angewendet. Die Klassifikatoren zur Trennung der einzelnen Veränderungsklassen lieferten unterschiedlich gute Ergebnisse. Die Verkahlungs- und Wiederbesiedelungsprozesse wurden sehr zuverlässig detektiert, wobei allerdings die Unterscheidung von natürlicher und nutzungsbedingter Verkahlung anhand der Compactness-Werte den Anteil an anthropogen veränderten Flächen auffällig unterschätzte. Die Validierung anhand von Farmerauskünften bzw. vergleichenden Fotos zum Aufnahmezeitpunkt lieferte dabei in allen drei Untersuchungsgebieten ähnliche Ergebnisse. Moderate Veränderungen der Vegetationsdichte wurden in allen drei Untersuchungsgebieten überwiegend gut erkannt. Eine eindeutige Zuordnung auf Veränderungen des Busch- oder des Grasstratums war allerdings nicht immer möglich. Die Detektion von rezenten Brandflächen in Zentral- und Nordnamibia verlief zufrieden stellend. Mehrere Monate alte Brandflächen ließen sich mit dem dazu entwickelten Klassifikator jedoch nicht von anderen phänologisch und nutzungsbedingten Veränderungen trennen. Zur Analyse der Signifikanz der Change-Detektion-Ergebnisse wurden verschiedene Niederschlagsdaten und NDVI-Zeitreihen für den jeweiligen Beobachtungszeitraum hinzugezogen. Es zeigte sich, dass die Change-Detection-Ergebnisse stark mit den Niederschlagssummen korrelierten, die in der jeweiligen Regenzeit bis zum Aufnahmezeitpunkt der einzelnen Landsat-Szenen gefallen waren. War die Regenzeit zum ersten Vergleichszeitpunkt ergiebiger als zum zweiten, wurde überwiegend Vegetationsrückgang detektiert. War die zweite Regenzeit hingegen feuchter als die erste, wurde überwiegend Vegetationszunahme detektiert. Die Größe der Niederschlagsdifferenz zwischen beiden Zeitpunkten spiegelte sich zudem im Flächenanteil der einzelnen Veränderungsklassen wider. Durch diesen starken phänologischen, d.h. niederschlagsbedingten Veränderungsanteil wurden „echte“ Veränderungen z.T. verschleiert oder verstärkt. Dieses Ergebnis korrespondiert mit den Ergebnissen vieler anderer Change-Detection-Arbeiten im semiariden Raum. Als relevante Veränderungen wurden daher nur solche bewertet, die dem allgemeinen phänologischen Trend im Vergleichszeitraum entgegenstanden. So konnten z.B. Flächen, auf denen Vegetationszuwachs detektiert wurde, obwohl die Regenzeit zum zweiten Aufnahmezeitpunkt schwächer war als die erste, als tatsächlich verbuscht gelten. Unter Berücksichtigung dieser niederschlagsbedingten Einflüsse wurden im Untersuchungsgebiet in Zentralnamibia die Flächenanteile bestimmt, für die Degradation detektiert wurde. Demnach hat im Vergleich der Szenen von 1984 und 2003 auf etwa 681 km², entsprechend 2,8 % der Gesamtfläche des Untersuchungsgebietes, eine niederschlagsunabhängige Verdichtung der Vegetation, d.h. eine Verbuschung stattgefunden. Die Lage der betroffenen Gebiete korrespondiert mit der in der Literatur genannten Region (vgl. BESTER 1998/99). Des Weiteren wurde im Untersuchungszeitraum von 1984 bis 2003 auf ca. 0,53 km², entsprechend 0,002 % der Gesamtfläche des Untersuchungsgebietes irreversible Verkahlung, d.h. Desertifikation detektiert. Damit stellt in Zentralnamibia die Veränderung durch Verbuschung die flächenmäßig größte Bedrohung für Artenvielfalt und landwirtschaftliche Tragkraft der Savannen dar. Aufgrund der starken phänologischen Einflüsse konnten von der Buschsterbe betroffene Regionen im Untersuchungsgebiet nicht sicher erkannt und quantifiziert werden. Kleinräumig konnten im Untersuchungsgebiet in Zentralnamibia Farmen identifiziert werden, die in einem oder mehreren Ergebnisbildern durch besondere Veränderungsmuster auffielen. Zumeist handelte es sich um Degradationserscheinungen wie Verbuschung und Verkahlung, für die bei der Besichtigung während der Feldkampagne im Jahr 2004 oft ein Zusammenhang mit ungünstigen Landnutzungspraktiken, d.h. vor allem Überweidung hergestellt werden konnte. Des Weiteren wurden starke Veränderungen durch Entbuschungsmaßnahmen, kurzzeitige Weideeinflüsse und auch einzelne wiederhergestellte Bestände detektiert. Nutzungsbedingte Degradationserscheinungen treten im Untersuchungsgebiet in Zentralnamibia insgesamt nur kleinräumig auf einzelnen Farmen auf. Für das Untersuchungsgebiet in Südnamibia lagen zwei Landsat-Szenen für den kurzen Vergleichszeitraum von 2001 zu 2002 vor. Anhand dieser konnten unter Zuhilfenahme von Niederschlagsdaten stark degradierte Flächen identifiziert werden. Während auf den intakten Flächen aufgrund der besseren Regenzeit zum zweiten Aufnahmezeitpunkt wie erwartet Vegetationszuwachs detektiert wurde, führten ebendiese reichlichen Niederschläge im degradierten Gebiet zu einer großflächigen Erosion der Vegetationsdecke. Dies ist vermutlich auf die größere Geschwindigkeit des oberflächlich abfließenden Regenwassers in der spärlichen Vegetationsdecke der degradierten Fläche zurück zu führen. In den übrigen Gebieten reduzierte hingegen die dichtere Vegetation den Oberflächenabfluss, wodurch mehr Wasser versickerte und verstärktem Pflanzenwachstum zur Verfügung stand. Im Untersuchungsgebiet in Nordnamibia wurden zwei Landsat-Szenen von April 1991 und April 2000 verglichen. Die gravierendste Veränderung in diesem Zeitraum war nutzungsbedingte Verkahlung, die auf rund 4,4 % der Gesamtfläche, entsprechend 81 km² detektiert wurde. Ursache ist hier die Umwandlung von Dornbuschsavanne in Acker- oder Siedlungsraum. Demgegenüber wurde aber nur für 1,17 % der Gesamtfläche, entsprechend 21,76 km², Wiederbesiedelung detektiert. Dies sind zumeist Agrarflächen, die (kurzzeitig) aus der Nutzung genommen wurden. Das Ergebnis dokumentiert den zunehmenden Siedlungsdruck in der Kavango-Region. Die seit den 1970er Jahren verbesserte Infrastruktur ermöglicht hier immer mehr Menschen die Landnahme, Viehhaltung und Siedlung. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass mit der hier entwickelten Change-Detection-Methode unter Berücksichtigung der Niederschlagshistorie in den semiariden und ariden Testgebieten signifikante Veränderungen der Vegetation in verschiedenen Landschaftsräumen detektiert werden können. Weitere Anwendungen der Methodik auf andere Testgebiete im südlichen und westlichen Afrika am Rande dieser Arbeit zeigten ebenfalls gute Ergebnisse, die allerdings bislang aus Mangel an Referenzdaten nicht validiert werden konnten. Zur zukünftigen Operationalisierung der Methodik sollte vor allem eine verbesserte Trennbarkeit von nutzungsbedingten und natürlichen Verkahlungsprozessen angestrebt werden. Des Weiteren wird eine Anpassung der Klassifikatoren auf andere Sensoren wie z.B. ASTER angedacht, um auch nach dem Ausfall von Landsat 7 im Jahr 2003 aktuelle Daten vergleichen zu können. Um den phänologischen Einfluss von unterschiedlichen Niederschlagshistorien im Vorfeld der Eingangsdaten zu minimieren, wäre zudem die Implementierung eines Kalibrierungsfaktors denkbar, der auf Niederschlags- oder auch MODIS-NDVI-Daten der entsprechenden Zeit- und Untersuchungsräume basiert. Das Ergebnis wäre eine sichere Methode zur Detektion von regionalen Veränderungen im semiariden Raum. Die Identifizierung dieser Veränderungen, speziell von Degradationserscheinungen stellt die Basis dar, dort gezielt nach den Ursachen zu suchen und Handlungsempfehlungen zu entwickeln, um einer fortschreitenden Zerstörung von Lebensraum, Artenvielfalt und ökonomischem Potenzial der betroffenen Flächen entgegen zu wirken. / Southern Africa’s semi arid regions are exposed to various alterations. Apart from episodic field fires, savannas are affected by a heavily increase of certain thorn bush species like Acacia mellifera (“bush encroachment”) or the appearance of “deserted” bare patches. Both degradation processes are supposed to be correlated to land use and/or climate change, and lead to a loss of habitats and species richness. As a base for analysis of this processes and the driving factors an accurate detection and quantification of the affected areas is necessary. Within this PhD thesis a remote sensing change detection (CD) technique was developed, which allows the observation of changes over large areas also in areas with restricted access and poor ground information. Based on multispectral, high resolution Landsat (E)TM data the observation of changes over a 20 years period back to the 1980ties was conducted on three study areas with different vegetation types: The dry forests of the Kavango Region (northern Namibia), thornbush savannas in central Namibia, and dwarf shrub savannas of the Nama Karoo (southern Namibia). With the developed CD technique spectral and shape information was used to extract and classify observed changes. For the interpretation of the detected changes long term regional rainfall data from the CRU (Climate Research Unit) and farmers’ data have been analysed. The combination of remote sensing CD results and these data allowed to distinct between spontaneous phenological vegetation reaction on highly variable rainfall, which may pretend or even obscure long term degradation processes. As a result it was shown that the mean degradation factor in the thorn bush savannas of central Namibia was bush encroachment, which affected about 2,8 % of the study site from 1984 to 2003. The amount and the localization of the affected areas corresponded to the results of other studies. In contrast, 0,002 % of the study area, where affected by irreversible vegetation loss in the same time period. For the study site in southern Namibia only two Landsat images from 2001 and 2002 were available. But also for this short time span the CD results served for the detection of degraded farm lands due to the different reaction of sparse annual vegetation to (documented) heavy rainfall events in comparison to intact perennial grass coverage. In northern Namibia from 1991 to 2000 logging of the forest to get agricultural field was identified to be the main changing factor. This result shows the increasing population pressure in the region, since an improved infrastructure facilitates the settlement and land use in the Kavango region. Furthermore, the detection of recent fires scars on the study areas in northern and central Namibia was conducted successfully. The results for the different study sites show the transferability of the developed CD technique to different vegetation coverage. The application to additional study areas within the BIOTA-project will be conducted subsequently

INTRODUCTION: Celiac disease is a T-cell mediated-inflammatory disorder of the small intestine precipitated by gluten ingestion. Gluten can be effectively degraded by Rothia aeria, a natural resident oral microbe. Rothia bacteria can potentially be developed as a first probiotic for celiac disease. Aims: To select the optimal culture conditions for R. aeria enzyme expression in vitro and determine the ratio of R. aeria to gluten to achieve digestion within 2 hr incubation, which is the residence time of foods in the stomach/upper intestines. MATERIALS AND METHODS: R. aeria were cultivated in Brain Heart Infusion (BHI) with different strength (4%, 20% and 100%), and chemical defined media M9 supplemented with different carbon sources (glucose, succinate, glycerol, or casein). The effect of incubation time and temperature (28°C and 37°C) on the enzyme expression of the bacteria grown in BHI was also assessed. The enzyme activities of R. aeria (standardized with OD 0.6) were measured with the para-nitroanilide-derivatized substrate. Gliadin degradation was investigated by incubating a fixed gliadin concentration (250 µg/ml) with different amount of R. aeria cell (OD620 1.0, 0.5, 0.25), and analyzed by SDS-PAGE. RESULTS: The OD620 of 24 hr R. aeria culture in 4%, 20%, and 100% BHI were 0.240, 0.932, and 2.033, respectively. No bacterial growth was observed in M9 broth +2% glucose, succinate, or glycerol, but grew well in M9 broth +2% casein with OD620 19.54. R. aeria exhibited highest activity when grown in 100% BHI (0.22AU/min) and lowest in 4% BHI (0.1AU/min). Enzyme activities in M9+2% casein were low (0.035AU/min), not in proportional to the OD of R. aeria culture. The specific enzyme activities of R. aeria in 100% BHI was high in log phase (9 to 12 hr or 12 to 18 hr), but the yield of total activity was less than that of in stationary phase (20 to 44 hr). The activity of the cells grown at 37°C was higher than at 28°C. R. aeria suspension with an OD620 of 1.0 exhibited rapid degradation of gliadins at 250ug/ml. CONCLUSIONS: Full strength BHI broth and 20 to 44 hr cultivation at 37°C are considered as optimal cultivation condition to obtain a R. aeria cell culture with high enzyme activity. Starvation condition do not enhance enzyme expression.