Over millions of years evolution has optimized the properties of materials via natural selection for many specific purposes. Indeed, natural materials have unique properties which come very close to perfection. Cells, for instance, are able to carry out intricate sequences of chemical reactions that are difficult or impossible to carry out ex vivo, cell membranes are the most complex selective and responsive semipermeable membranes that exist, and animal shells exhibit a clever nanostructure that renders them hard and tough at the same time. In short, materials scientists can learn a lot from nature’s materials. The perfection and performance of nature’s materials not only spark fascination, but also trigger the question as to why certain structures or surfaces exhibit outstanding properties and inspire research towards new materials. While the materials of living nature impressively serve dedicated purposes, they are formed under restricted conditions. For instance, they have to be designed to function under a narrowly defined set of physiological conditions, and can only be composed of building blocks an organism has available. Without these restrictions, material scientists can design entirely new materials or surfaces.

The elimination of natural organic matter (NOM) is an important aim of water treatment in demineralisation plants of power stations. NOM is regarded as corrosion risk factor in the steam water cycle because of its potential to decompose into low-molecular-weight (LMW) acids and carbon dioxide. Further, the removal of NOM is also one of the main objectives in the drinking water production, since it can cause i) colour, taste and odour problems, ii) formation of carcinogen halogenated disinfection by-products (DBPs) after disinfection with chlorine and iii) bacterial growth in the water distribution system. In earlier studies, it was found that anion exchange is a successful method to remove NOM fractions. However, NOM fractions with low charge density (LMW neutrals and hydrophobic organic carbon (HOC)) and/or large molecular size (biopolymers and particulate organic carbon (POC)) could not be removed in some cases in satisfying quantities. The aim of the present work was to investigate the uptake performance of different anion exchange resins (AERs) in regard to problematic NOM fractions. The AERs differ especially in their functional groups (tertiary versus quaternary amines) and matrix material (polystyrene versus polyacrylic resins). The use of different AERs provides an option to identify possible interactions between adsorbate (NOM fractions) and adsorber (AERs) as well as the mechanism which determine the removal efficiency. The NOM fraction adsorption onto AERs was studied in equilibrium and fixed-bed experiments with three types of starch with different molecular size distributions (model substances for biopolymer fraction) as well as 2-naphthol (model substance for the LMW neutral fraction) at acidic pH (relevant for water in demineralisation plants of power stations) and neutral pH (covering most raw waters). Furthermore, the NOM fraction uptake from “real” acidic and neutral water samples, obtained from a demineralisation plant of a power station, was estimated for different AERs. Results were discussed in terms of size-exclusion, anion exchange and hydrophilic/hydrophobic repulsion. In case that size-exclusion influences the NOM uptake onto AERs, it was found that the smaller the size of the NOM molecules and the higher the water content of the AERs, the more effective the uptake is. Thus, for the removal of biopolymers and POC, polyacrylic resins with high water content could be a good choice. Contrary, polystyrene AERs are the most effective resins in the removal of NOM fractions, if no size-exclusion occurs. They seem to be able to uptake more hydrophilic NOM fractions by polar/ionic interactions between acids/acidic components and tertiary/quaternary amines as well as to remove more hydrophobic NOM fractions by π-π stacking and/or hydrophobic interactions on the polystyrene matrix. Further, it was found that the higher the total volume (anion exchange) capacity of an AER, the higher its NOM removal by polar/ionic interactions can be. At acidic pH, weak/medium base AERs have higher total volume (anion exchange) capacities than strong base AERs, whereas, at neutral pH, strong base AERs have the highest ones. In view of these results, the application of polyacrylic AERs with high water content can be recommended to remove NOM components with large molecular size in demineralisation and drinking water plants. If there is a higher amount of smaller NOM fractions, especially LMW neutrals, than polystyrene weak/medium base AERs should be favoured in demineralisation plants and polystyrene strong base AERs in drinking water treatment plants. From the engineering point of view, breakthrough curve (BTC) prediction models are important for the design of fixed-bed filter. Therefore, two different BTC model approaches were tested in the present study to describe the single-solute adsorption onto AERs: i) the homogenous surface diffusion model (HSDM) with linear driving force (LDF) approach for surface diffusion, known from activated carbon adsorption, and ii) the Glueckauf/Helfferich formulae as an extension of the height equivalent to a theoretical plate (HETP) model, initially used to describe ion exchange processes. It was found that the Glueckauf/Helfferich approach is not only a suitable tool for the fast calculation of BTCs for ionic components, but it can also successfully be applied, after considering the Freundlich model for the mass balance, for the rapid prediction of BTCs for single-solute organic molecules. For competitive BTC predictions, the ideal adsorbed solution theory (IAST) within the LDF model was applied. All calculated BTCs fit the experimental data in a good manner. Thus, the investigated BTC models can be applied for estimating the breakthrough bed volumes of different AERs to avoid leakage of NOM in the drinking or demineralised water caused by overloading. / Die Entfernung von natürlichen organischen Substanzen (NOM) ist ein wichtiges Ziel für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb, da diese sich im Wasser/Dampf-Kreislauf zu niedermolekularen Säuren und Kohlenstoffdioxid zersetzen können und so ein potentielles Korrosionsrisiko darstellen. Außerdem ist die Elimination von natürlichen organischen Substanzen einer der Schwerpunkte in der Trinkwasseraufbereitung, da NOM im Trinkwasser folgende Konsequenzen verursachen können i) Farb-, Geschmacks- und Geruchsprobleme, ii) Bildung von kanzerogen halogenierten Desinfektionsnebenprodukten nach der Desinfektion mit Chlor und iii) Bakterienwachstum im Wasserverteilungssystem. In früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass Anionenaustauscherharze (AERs) die NOM-Fraktionen in der Regel erfolgreich aufnehmen können. Nur NOM-Fraktionen mit geringer Ladungsdichte (niedermolekulare Neutralstoffe und hydrophober organischer Kohlenstoff) und/oder großer Molekülgröße (Biopolymere und partikulärer organischer Kohlenstoff) können unter bestimmten Bedingungen nicht in zufriedenstellender Menge entfernt werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Aufnahmeverhalten unterschiedlicher AERs hinsichtlich problematischer NOM-Fraktionen zu untersuchen. Die AERs unterscheiden sich vor allem in ihren funktionellen Gruppen (tertiäre versus quaternäre Amine) und ihrer Matrix (Polystyren- versus Polyacryl-Harze). Die Verwendung unterschiedlicher AERs erlaubt es, mögliche Wechselwirkungen zwischen Adsorbat (NOM-Fraktionen) und Adsorber (AERs) und die Mechanismen, die die NOM-Aufnahme entscheidend bestimmen, zu identifizieren. Die Entfernung von NOM-Fraktionen durch AERs wurde in Gleichgewichts- und Festbett-versuchen mittels dreier Stärketypen mit unterschiedlicher Molekülgrößenverteilung (Modellsubstanzen für die Biopolymere) und 2-Naphthol (Modellsubstanz für die Neutralstoffe) unter sauren pH-Bedingungen (relevant für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb) und neutralen pH-Bedingungen (bedeutsam für die meisten Rohwässer) untersucht. Außerdem sollte das Adsorptionsverhalten von AERs bezüglich verschiedener NOM-Fraktionen unter Einsatz von „real“ neutralen und sauren Wasserproben aus einer Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerksbetriebes eingeschätzt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass falls Größenausschluss die NOM-Aufnahme von AERs beeinflusst, dann ist die Adsorption der NOM-Fraktionen umso größer, je kleiner die NOM-Moleküle sind und je höher der Wassergehalt der AERs ist. Daher kann für die Entfernung von größeren Biopolymeren, der Einsatz von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt die beste Option sein. AERs mit Polystyren-Matrix besitzen die höchste Aufnahmekapazität für NOM-Fraktionen, falls kein Größenausschluss auftritt. Es scheint für sie möglich zu sein, sowohl hydrophile NOM-Fraktionen durch polare/ionische Wechselwirkungen zwischen NOM Säuren/sauren Komponenten und tertiären/quaternären Aminen aufzunehmen als auch hydrophobe NOM-Fraktionen durch π-π Anziehungen und/oder hydrophobe Interaktionen an die Polystyren-Matrix zu binden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass je höher die Gesamtvolumenkapazität eines AERs, desto größer ist die NOM-Entfernung auf Grund von polaren/ionischen Wechselwirkungen. Es gilt, dass schwach/mittel basische AERs im Vergleich zu stark basischen AERs höhere Gesamtvolumenkapazitäten unter sauren pH-Bedingungen besitzen und stark basische AERs die höchsten Gesamtvolumenkapazitäten unter neutralen pH-Bedingungen aufweisen. Auf Grund dieser Ergebnisse ist es möglich, die Verwendung von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt für die Entfernung von NOM-Fraktionen mit großer Molekülgröße in Reinst- und Trinkwasseraufbereitungsanlagen zu empfehlen. Falls es einen höheren Anteil von kleineren NOM-Fraktionen, im Besonderen Neutralstoffen, gibt, sollte die Verwendung von schwach/mittel basischen AERs in Vollentsalzungsanlagen von Kraft-werksbetrieben und stark basischen AERs in Trinkwasseraufbereitungsanlagen bevorzugt werden. Vor allem im Hinblick auf technische Anwendungen ist es wichtig, Durchbruchskurven (BTC) vorausberechnen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Modellansätze für die Berechnung von BTCs für die Einkomponentenadsorption getestet: i) das homogene Oberflächendiffusionsmodell mit linearer Triebkraft (LDF), bekannt aus Untersuchungen zur Aufnahme von NOM an Aktivkohle, und ii) die Glueckauf/Helfferich-Formeln, primär verwendet für die Beschreibung von Ionenaustauschprozessen. Es konnte gezeigt werden, dass das Glueckauf/Helfferich-Verfahren nicht nur ein geeignetes Instrument für die schnelle Berechnung von BTCs für ionische Komponenten ist, sondern dass dieses, nach Berücksichtigung des Freundlich-Ansatzes in der Massenbilanz, auch erfolgreich angewendet werden kann, um BTCs für Einkomponentenadsorption von Organika zu berechnen. Für die Vorausberechnung von BTCs für Mehrkomponentensysteme wurde die Theorie der idealen adsorbierten Lösung im LDF-Modell genutzt. Die berechneten BTCs stimmen in guter Qualität mit den experimentell ermittelten BTCs überein. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die untersuchten BTC-Modelle eingesetzt werden können, um Durchbruchspunkte für die jeweiligen AERs zu bestimmen und damit die Gefahr des Schlupfes von NOM ins Trink- bzw. Reinstwasser zu minimieren.

Dendritic cells (DCs) are professional antigen-presenting cells, which display an extraordinary capacity to induce T-cell responses. Recent findings revealed that DCs also play a crucial role in the activation of natural killer (NK) cells representing important effectors in the innate immune defense against viruses and tumors. Here, we summarize various studies investigating the bidirectional crosstalk between human DCs and NK cells. In this context, it has been reported that DCs efficiently enhance CD69 expression, proliferation, interferon (IFN)-γ secretion and cytotoxic activity of NK cells. Cell membrane-associated molecules as well as soluble factors such as interleukin-12, tumor necrosis factor-α and type I IFNs contributed to DC-mediated NK cell activation. Reciprocally, the ability of human NK cells to enhance the immunostimulatory capacity of DCs was shown. Thus, NK cells promoted the maturation of DCs and markedly augmented their capacity to produce proinflammatory cytokines and to stimulate T-cell responses. The NK cell-mediated effects on DCs were dependent on cell membrane-associated molecules such as NKp30 and soluble factors such as tumor necrosis factor-α and IFN-γ. In conclusion, the reciprocal activating interaction between human DCs and NK cells may play a pivotal role in the immune defense against viruses and tumors. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Natural language is a remarkable example of a complex dynamical system which combines variation and universal structure emerging from the interaction of millions of individuals. Understanding statistical properties of texts is not only crucial in applications of information retrieval and natural language processing, e.g. search engines, but also allow deeper insights into the organization of knowledge in the form of written text. In this thesis, we investigate the statistical and dynamical processes underlying the co-existence of universality and variability in word statistics. We combine a careful statistical analysis of large empirical databases on language usage with analytical and numerical studies of stochastic models. We find that the fat-tailed distribution of word frequencies is best described by a generalized Zipf’s law characterized by two scaling regimes, in which the values of the parameters are extremely robust with respect to time as well as the type and the size of the database under consideration depending only on the particular language. We provide an interpretation of the two regimes in terms of a distinction of words into a finite core vocabulary and a (virtually) infinite noncore vocabulary. Proposing a simple generative process of language usage, we can establish the connection to the problem of the vocabulary growth, i.e. how the number of different words scale with the database size, from which we obtain a unified perspective on different universal scaling laws simultaneously appearing in the statistics of natural language. On the one hand, our stochastic model accurately predicts the expected number of different items as measured in empirical data spanning hundreds of years and 9 orders of magnitude in size showing that the supposed vocabulary growth over time is mainly driven by database size and not by a change in vocabulary richness. On the other hand, analysis of the variation around the expected size of the vocabulary shows anomalous fluctuation scaling, i.e. the vocabulary is a nonself-averaging quantity, and therefore, fluctuations are much larger than expected. We derive how this results from topical variations in a collection of texts coming from different authors, disciplines, or times manifest in the form of correlations of frequencies of different words due to their semantic relation. We explore the consequences of topical variation in applications to language change and topic models emphasizing the difficulties (and presenting possible solutions) due to the fact that the statistics of word frequencies are characterized by a fat-tailed distribution. First, we propose an information-theoretic measure based on the Shannon-Gibbs entropy and suitable generalizations quantifying the similarity between different texts which allows us to determine how fast the vocabulary of a language changes over time. Second, we combine topic models from machine learning with concepts from community detection in complex networks in order to infer large-scale (mesoscopic) structures in a collection of texts. Finally, we study language change of individual words on historical time scales, i.e. how a linguistic innovation spreads through a community of speakers, providing a framework to quantitatively combine microscopic models of language change with empirical data that is only available on a macroscopic level (i.e. averaged over the population of speakers).

0 VORWORT Bei der maschinellen Übersetzung natürlicher Sprache dominieren mehrere Probleme. Man hat es immer mit sehr großen Datenmengen zu tun. Auch wenn man nur einen kleinen Text übersetzen will, ist diese Aufgabe in umfänglichen Kontext eingebettet, d.h. alles Wissen über Quell- und Zielsprache muß - in möglichst formalisierter Form - zur Verfügung stehen. Handelt es sich um gesprochenes Wort treten Spracherkennungs- und Sprachausgabeaufgaben sowie harte Echtzeitforderungen hinzu. Die Komplexität des Problems ist - auch unter Benutzung moderner Softwareentwicklungskonzepte - für jeden, der eine Implementation versucht, eine nicht zu unterschätzende Herausforderung. Ansätze, die die Arbeitsprinzipien und Methoden der Informatik konsequent nutzen, stellen ihre Ergebnisse meist nur prototyisch für einen sehr kleinen Teil der Sprache -etwa eine Phrase, einen Satz bzw. mehrere Beispielsätze- heraus und folgern mehr oder weniger induktiv, daß die entwickelte Lösung auch auf die ganze Sprache erfolgreich angewendet werden kann, wenn man nur genügend „Lemminge“ hat, die nach allen Seiten ausschwärmend, die „noch notwendigen Routinearbeiten“ schnell und bienenfleißig ausführen könnten.:0 Vorwort S. 2 1 Allgemeiner Ablauf der Generierung S. 3 1.1 AUFGABE DER GENERIERUNG S. 3 1.2 EINORDNUNG DER GENERIERUNG IN DIE MASCHINELLE ÜBERSETZUNG S.4 1.3 REALISIERUNG S. 4 1.4 MORPHOLOGISCHE GENERIERUNG S.6 2 Strukturen und Abbildungen S. 8 2.1 UNIVERSELLE STRUKTUR: DEFINITION VON GRAPHEN S.8 2.2 FORMALISIERUNG SPEZIELLER SEMANTISCHER STRUKTUREN ALS GRAPHEN S.9 2.3 ABBILDUNG VON STRUKTUREN S.11 2.3.1 Strukturtyperhaltende Funktionen S. 12 2.3.2 Strukturtypverändernde Funktionen S. 19 2.3.3 Komplexe Funktionen S. 20 2.3.4 Abbildung eines gesamten Generierungsprozesses S. 21 4 Beispiel: Generierung von Texten aus prädikatenlogischen Ausdrücken (inkrementeller Algorithmus) S. 23 4.1 ABLAUF S.23 4.2 BEISPIELE VON REGELSTRUKTUREN S.27 5 Zusammenfassung S. 28 6 Quellenverzeichnis S. 30

The distinction between institution types and institution tokens plays an important role in Francesco Guala’s philosophy of institutions. In this commentary, I argue that this distinction faces a number of difficulties that are not sufficiently addressed in Understanding Institutions. In particular, I critically discuss Guala’s comparison between the taxonomy of organisms and the taxonomy of institutions, consider the semantics of institution terms on different levels in this taxonomy, and argue for an alternative solution to the problem of how to reconcile reformism and realism about institutions like marriage.

Wasserknappheit und verminderte Wasserqualität sind Folgen des Klimawandels und zu-nehmender menschlichen Aktivitäten in der Landwirtschaft. Um den weltweiten Nahrungsmittelbedarf zu decken, ist der Einsatz von Stickstoffdüngern (hauptsächlich in Form von NH4+) notwendig, um die Qualität und den Ertrag von Nutzpflanzen zu steigern. Eine wachsende Weltbevölkerung macht einen verstärkten Einsatz von Stickstoffdüngern in der Landwirtschaft erforderlich, was zu einem erhöhten Eintrag von reaktivem Stickstoff in den Boden und das Grundwasser führt. Zusammen mit Abwassereinleitungen aus Haus-halten und Industrie in die Umwelt ist die Landwirtschaft Schätzungen zufolge der Hauptverschmutzer von Trinkwasserquellen. Neben Vermeidungs- und Verminderungsstrategien ist die Entwicklung innovativer Technologien zur Entfernung von Stickstoffverbindungen aus Trinkwasserquellen ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems. Diese Arbeit zeigt die Machbarkeit eines kombinierten Zeolith- und Anammox-Verfahrens zur Entfernung von Stickstoffverbindungen in einer grundwasserähnlichen Matrix für die Trinkwasseraufbereitung auf. Unter Verwendung von natürlichen Zeolithe (Klinoptilolith) als Sorbentien (für NH4+) und als Biofilmträger (für Anammox Bakterien) in einem Festbett-Biofilter wurde ein hocheffizienter, kostensparender, kompakter und wartungsarmer Prozess für dezentrale Anwendungen demonstriert. Darüber hinaus wurden in einer technischen und wirtschaftlichen Bewertung die Chancen und Risiken dieses Verfahrens für die Trinkwasseraufbereitung aufgezeigt. Der Einfluss von Schlüsselparametern auf die Sorption von NH4+ an natürlichen Zeolithe ergab eine hohe NH4+-Selektivität (NH4+ > K+ > Na+ > Mg2+ > Ca2+), hohe Sorptionskapazitäten (bis zu 21.3 mg(NH4+)/g) und hohe Entfernungsleistungen (bis zu 99 %). Untersuchungen in Multisorbat- und natürlichen Wassermatrices ergaben, dass die Konzentrationen von K+ und gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) den größten Einfluss auf die Sorption von NH4+ haben. Die Gleichgewichtsbeladung wurde dabei um bis zu 8% verringert. Der Einfluss von Anionen kann in Grundwasser typischen Konzentrationen bei pH-Werten oberhalb des pHPZC (Point of Zero Charge) vernachlässigt werden. Der pHPZC konnte zwischen pH 6.24 und pH 6.47 bestimmt werden. Zwischen pH 5 und pH 7 wurde eine maximale NH4+-Entfernungsleistung festgestellt, wohingegen aufgrund eines erhöhten Anteils an nicht sorbierbarem NH3(aq) ab pH ≥ 8 die Entfernungsleistung stark abnahm. Bei einer NH4+-Konzentration von 12.8 mg/L konnte der zugrundeliegende Sorptionsmechanismus auf den Ionenaustausch zurückgeführt werden (R² = 0,997). NH4+ beladene Zeolithe ließen sich am besten mit einer K+-Salzlösung regenerieren. Experimentell ermittelte Durchbruchskurven und eine zweifaktorielle Varianzanalyse bestätigten einen starken Einfluss der K+- und DOC-Konzentrationen auf den Durchbruch von NH4+ in natürlichen Wassermatrices. Bei einem Durchbruch von 50% wurde mit dem Einsatz von Elbewasser die Anzahl der behandelten Bettvolumina (BVs) um 69% reduziert. Darüber hinaus wurden die NH4+-Durchbruchskurven mit und ohne den Einfluss von K+ in Reinstwasser sowohl mit dem Linear Driving Force (LDF)- als auch mit dem Thomas-Modell erfolgreich modelliert und durch experimentelle Daten validiert. Die Verwendung solcher Modelle ist ein vielversprechendes Instrument, um zeitaufwändige und umfangreiche Untersuchungen im Labor und im Feld zu reduzieren. Um das Anammox-Verfahren erfolgreich etablieren zu können ist ein stabiler Betrieb der partiellen Nitritation (PN) zur Regulierung des erforderlichen stöchiometrischen NO2-/NH4+-Verhältnisses (1.32:1) entscheidend. Vorläufige Untersuchungen mit einem Fest-bett-Biofilter und einem Sequencing-Batch-Reaktor (SBR) zeigten, dass die folgenden Faktoren bei der Anwendung einer PN berücksichtigt werden müssen: (1) komplexe Wechselbeziehungen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften mit unterschiedlichen Substratanforderungen, synergetische/kompetitive Wechselwirkungen, inhibierende Prozesse, und Stoffwechselprodukte; und (2) die Notwendigkeit, verschiedene Inhibierungsstrategien zu etablieren, um die Aktivität NO2- oxidierender Bakterien (NOB) zu unterdrücken. Es ist entscheidend, einen geschichteten und stabilen Biofilm zu etablieren, bevor eine PN unter Grundwasserbedingungen mit erhöhten Temperaturen und hohen NH4+-Konzentrationen eingesetzt wird. Das kombinierte Zeolith- und Anammox-Verfahren wurde in einem sequentiellen Zeolith-Anammox-Biofilter untersucht. Trotz weitaus niedrigerer Substratkonzentrationen und einer 8-fach höheren Filtergeschwindigkeit wurden vergleichbare Entfernungsleistungen für NH4+ (86%) und NO2- (76%) wie mit ähnlichen Zeolith- Anammox-Systemen für die Abwasseraufbereitung ermittelt. Die Entfernungsleistungen für NH4+ und NO2- konnten durch einen Vergleich ihrer Halbwertszeiten mit der effektiven hydraulischen Aufenthaltsdauer im Biofilter bestätigt werden. Die Entfernung von NH4+ erfolgte aufgrund der Sorption über Zeolithe und des Anammox-Stoffwechsel wesentlich schneller als für NO2-, deren Entfernung lediglich auf den Anammox-Stoffwechsel zurückführbar ist. Sowohl die ermittelten Halbwertszeiten als auch das von der Filterhöhe abhängige NO2-/NH4+-Verhältnis konnte eine schnellere NH4+-Entfernung bestätigen. Die Grenzwerte für NO2- der Weltgesundheitsorganisation (WHO: 3 mg/L) und der Vereinigten Staaten von Amerika (USA: 3.2 mg/L)) wurden bei Filtergeschwindigkeiten von 0.032 m/h und 0.043 m/h eingehalten. Bei 0.032 m/h und 0.043 m/h wurden die NH4+-Grenzwerte für China (0.6 mg/L) und Deutschland (0.5 mg/L) leicht überschritten. Durch eine Korrelation der NH4+- und NO2--Entfernung mit der elektrischen Leitfähigkeit konnte darüber hinaus bei allen untersuchten Filtergeschwindigkeiten ein vereinfachtes Verfahren zur Prozessüberwachung demonstriert werden. Eine technisch-wirtschaftliche Bewertung ergab die höchste technische Wertigkeit (X) für das Ionenaustauschverfahren mit Zeolithe (X: 0.79), gefolgt vom Nitrifikationsverfahren (X: 0.68) und dem Verfahren der partiellen Nitritation/Anammox (PN/A) (X: 0.52). Das Ionen-austauschverfahren zeichnet sich dabei vor allem durch eine einfache Handhabung und Anpassung hinsichtlich schwankender NH4+-Konzentrationen im Zulauf sowie eine hohe Betriebssicherheit aus. Dagegen sind vergleichsweise lange Etablierungszeiten, eine un-sichere Betriebssicherheit und eine hohe verfahrenstechnische Komplexität für das PN/A-Verfahren zu erwarten. Die Gesamtkosten jedes Verfahrens wurden unter Berücksichtigung der Anlagengröße, lokaler Strompreise und unterschiedlicher NH4+-Konzentrationen im Zulauf über einen Zeitraum von 20 Jahren berechnet. Auf Grundlage dieser Berechnung können die folgenden Empfehlungen für eine dezentrale Trinkwasseraufbereitung ausgesprochen werden: (1) Das Ionenaustauschverfahren kann für NH4+-Konzentrationen bis zu 21 mg/L empfohlen werden; (2) das PN/A-Verfahren wird bei höheren NH4+-Konzentrationen wirtschaftlicher; und (3) das Nitrifikationsverfahren weist ab einer NH4+-Konzentration von ≥ 14 mg/L im Zulauf eine ungünstige Wirtschaftlichkeit auf, da eine zusätzliche Denitrifikationsstufe eingeplant werden muss um den NO3- Grenzwert von 50 mg/L der WHO und von Deutschland einzuhalten. Werden die Berechnungen mit einem niedrigeren KCl-Preis wiederholt, kann das Ionenaustauschverfahren bis zu einer NH4+-Konzentration von 60 mg/L empfohlen werden. Das PN/A-Verfahren stellt bei NH4+-Konzentrationen ≥ 60 mg/L das wirtschaftlichere Verfahren dar. Insgesamt ist das kombinierte Zeolith- und Anammox-Verfahren ein vielversprechendes Verfahren zur Entfernung von Stickstoffverbindungen in dezentralen Anwendungen für die Trinkwasseraufbereitung in Schwellen- und Entwicklungsländern des globalen Südens. Insbesondere dort, wo erhöhte Temperaturen und hohe NH4+-Konzentrationen in Trinkwasserquellen zu finden sind.:1. Introduction ................................................................................................................. 1 2. Topic and Objective of the Thesis ............................................................................. 3 3. Background and Literature Review ........................................................................... 5 3.1 General Aspects about the Global Nitrogen Cycle ............................................ 5 3.1.1 Nitrogen Reservoirs and Anthropogenic Activities ........................................... 5 3.1.2 Nitrogen Cycle in Riverbank Filtration and Groundwater ................................. 7 3.1.3 Ecological Relevance and Physiological Effects of Nitrogen Compounds ..... 10 3.2 Ammonium Removal Processes – Current State of Knowledge .................... 12 3.2.1 Distinction: Drinking Water vs. Wastewater Treatment .................................. 13 3.2.2 Zeolites: Occurrence, Characteristics and Application ................................... 17 3.2.3 Partial Nitritation and Anammox ..................................................................... 20 4. Results and Discussion ............................................................................................ 25 4.1 Publication 1: Granular Natural Zeolites: Cost-Effective Adsorbents for the Removal of Ammonium from Drinking Water ............................................................ 25 4.2 Publication 2: Natural Zeolites for the Sorption of Ammonium: Breakthrough Curve Evaluation and Modeling .................................................................................. 48 4.3 Preliminary Investigations to the Partial Nitritation ........................................ 66 4.3.1 Material and Methods .................................................................................... 66 4.3.2 Results and Discussion .................................................................................. 70 4.3.3 Conclusions ................................................................................................... 77 4.4 Publication 3: A Sequential Anammox Zeolite-Biofilter for the Removal of Nitrogen Compounds from Drinking Water ............................................................... 79 4.5 Technical-Economic Evaluation ........................................................................ 99 4.5.1 Material and Methods .................................................................................... 99 4.5.2 Results and Discussion ................................................................................ 103 4.5.3 Conclusions ................................................................................................. 114 5. Summary and General Conclusions ...................................................................... 116 6. Outlook ..................................................................................................................... 119 References ..................................................................................................................... 122 List of Tables ................................................................................................................. 139 List of Figures ................................................................................................................ 141 List of Abbreviations ..................................................................................................... 144 List of Formular ............................................................................................................. 146 Appendix ........................................................................................................................ 147 A-1 Supporting Information: Section 3 .................................................................. 147 A-2 Supporting Information: Section 4 .................................................................. 149 A-2.1 Publication 1: Granular Natural Zeolite: Cost-Effective Adsorbents for the Removal of Ammonium from Drinking Water ............................................................ 149 A-2.2 Publication 2: Natural Zeolites for the Sorption of Ammonium: Breakthrough Evaluation and its Modeling ...................................................................................... 157 A-2.3 Preliminary Investigations to Partial Nitritation ............................................. 162 A-2.4 Publication 3: A Sequential Anammox Zeolite-Biofilter for the Removal of Nitrogen Compounds from Drinking Water ............................................................... 168 A-2.5 Technical-Economic Evaluation ................................................................... 179 Journal Articles and Conference Contributions ......................................................... 200 Acknowledgements ....................................................................................................... 201 Declaration ..................................................................................................................... 202

Die Implantation eines linksventrikulären Herzunterstützungssystems (LVADs) hat sich in den letzten Jahren als eine vielversprechende Therapieoption für die terminale Herzinsuffizienz etabliert. Obwohl Infektionen nach LVAD-Implantation eine der häufigsten Komplikationen darstellen, sind die Veränderungen immunologischer Parameter vor und nach LVAD-Implantation unzureichend untersucht. Ein Großteil der Patienten mit LVAD-Implantation leidet unter Adipositas und weist damit zusätzliche Risikofaktoren in Bezug auf die Ausbildung von Komplikationen, insbesondere Infektionen auf. Deshalb wurde in der vorliegenden Studie untersucht, welche Veränderungen sich in Bezug auf ausgewählte immunologische Zellparameter in Abhängigkeit vom Body-Mass-Index (BMI) im ersten Jahr nach LVAD-Implantation ergeben. Die Patienten wurden anhand ihres BMI zum Zeitpunkt der LVAD-Implantation einer von drei Gruppen (Gruppe A, Normalgewicht: BMI von 18,5-24,9 kg/m2; n = 17; Gruppe B, Präadipositas: 25,0-29,9 kg/m2; n = 24; Gruppe C, Adipositas: ≥ 30,0 kg/m2; n = 27) zugeordnet. Die Gruppen wurden anhand der Erhebung demografischer Daten, vor Implantation bestehender Komorbiditäten, im postoperativen Verlauf auftretender Komplikationen sowie klinischer Laborparameter verglichen. An vier Messzeitpunkten (vor Implantation, 3 Monate, 6 Monate und 12 Monate nach LVAD-Implantation) wurden Vollblut- und Serumproben entnommen. Diese wurden mittels Durchflusszytometrie auf zelluläre Immunzellpopulationen, wie T- und B-Zellen, regulatorische T-Zellen (Tregs), dendritische Zellen (DCs) sowie Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) untersucht. Mittels Multiplex-Analyse wurde das Zytokinprofil analysiert. In der vorliegenden Studie waren die Gruppen in Bezug auf ihre demografischen Daten, vor Implantation bestehender Komorbiditäten und nicht-infektiöser Komplikationen im Verlauf nach LVAD-Implantation vergleichbar. Die Analyse der T-Zellen und ausgewählter T-Zell-Subpopulationen zeigte zum einen eine stärkere Erhöhung der T-Zellen bei präadipösen Patienten, geringere Anteile der CD8+ T-Zellen bei adipösen Patienten ein Jahr nach LVAD-Implantation sowie geringere Anteile von Tregs bei präadipösen Patienten ab sechs Monaten nach LVAD-Implantation. Ein Jahr nach LVAD-Implantation wiesen adipöse Patienten einen höheren Anteil an DCs auf als normalgewichtige und präadipöse Patienten. Eine vertiefende Analyse der Subpopulationen von mDCs und pDCs anhand der BDCA-Oberflächenmoleküle ergab, dass normalgewichtige und präadipöse Patienten im Verlauf des ersten Jahres nach LVAD-Implantation eine Erhöhung der Anteile BDCA1+ und BDCA3+ mDCs aufwiesen. Die Anteile der BDCA4+ pDCs waren bei den präadipösen und adipösen Patienten im Vergleich zu den normalgewichtigen Patienten drei Monate nach LVAD-Implantation reduziert. Es konnten keine Unterschiede der Anteile von NK-Zellen zwischen normalgewichtigen, präadipösen und adipösen Patienten detektiert werden, jedoch zeigte sich bei adipösen LVAD-Patienten im Vergleich zu den Normalgewichtigen zum ersten Messzeitpunkt nach LVAD-Implantation ein erhöhter Anteil der CD56bright NK-Zellen und ein reduzierter Anteil der CD56dim NK-Zellen. Zusammenfassend lässt sich mit dieser Studie ein deutlicher Einfluss des BMI auf immunologische Veränderungen nach LVAD-Implantation nachweisen. Neben den adipösen LVAD-Patienten zeigten auch präadipöse LVAD-Patienten weitreichende Änderungen immunologischer Zellparameter, die NK-Zellen, Tregs, DCs sowie CD4+ und CD8+ T-Zellen betrafen. Die Betrachtung aller nachgewiesenen immunologischen Veränderungen präadipöser und adipöser Patienten deutet auf eine eingeschränkte antivirale und antibakterielle Immunreaktivität und damit auf ein erhöhtes Risikoprofil für Infektionen nach LVAD-Implantation hin.:1. Inhaltsverzeichnis II 2. Abbildungsverzeichnis IV 3. Tabellenverzeichnis VII 4. Abkürzungsverzeichnis IX 5. Einführung 1 5.1 Herzinsuffizienz und linksventrikuläre Herzunterstützungssysteme 1 5.2 Infektionen als Komplikation nach LVAD-Implantation 4 5.3 Immunologische Parameter bei Herzinsuffizienz und nach LVAD-Implantation 6 5.3.1 T-Zellen 6 5.3.2 B-Zellen 8 5.3.3 Dendritische Zellen 9 5.3.4 Natürliche Killerzellen 10 5.3.5 Zytokine 10 5.4 Einfluss einer Adipositas auf das Outcome nach LVAD-Implantation und auf immunologische Parameter 12 6. Aufgabenstellung 14 7. Materialien und Methoden 15 7.1 Studiendesign und Probenentnahme 15 7.2 Probenaufarbeitung 17 7.3 Durchflusszytometrie 17 7.3.1 Messung der Immunzellpopulationen 19 7.3.2 Auswertung der durchflusszytometrischen Daten 22 7.4 Multiplexanalyse 26 7.5 Demografische Datenerhebung 28 7.6 Statistik 28 8 Ergebnisse 29 8.1 Demografische Daten und Komorbiditäten 29 8.2 Medikation im Zeitraum von sechs Wochen vor LVAD-Implantation 31 8.3 Gesundheitlicher Verlauf im Zeitraum von einem Jahr nach LVAD-Implantation 33 8.3.1 Gesundheitlicher Verlauf ohne Betrachtung eines Infektionsgeschehens 33 8.3.2 Infektionsgeschehen im Zeitraum von einem Jahr nach LVAD-Implantation 33 8.4 Flussraten des LVADs im Zeitraum von einem Jahr nach LVAD-Implantation 36 8.5 Vergleich ausgewählter Laborparameter 36 8.5.1 Hämatokrit, Erythrozyten- und Hämoglobinkonzentration 36 8.5.2 Thrombozytenkonzentration 39 8.5.3 Leukozytenkonzentration 40 8.5.4 CRP-Konzentration 40 8.5.5 Quick-Wert und die INR 41 8.6 Durchflusszytometrische Analyse 43 8.6.1 CD3+ T-Zellen 43 8.6.2 CD3+ CD8+ T-Zellen 44 8.6.3 CD3+ CD4+ T-Zellen 46 8.6.4 Regulatorische T-Zellen 49 8.6.5 B-Zellen 50 8.6.6 Zirkulierende DCs 50 8.6.7 Plasmazytoide DCs 51 8.6.8 Myeloide DCs 53 8.6.9 NK-Zellen 55 8.6.10 CD56bright und CD56dim/- NK-Zellen 56 8.7 Analyse der Immunbalance 58 9 Diskussion 60 10 Zusammenfassung der Arbeit 69 11 Literaturverzeichnis 71 12 Anhang 83 13 Selbstständigkeitserklärung 97 15 Danksagung 98

Biomass and carbon stock of the natural forests in Vietnam are still not clear due to limitation of knowledge and financial. In this paper, the results of estimating biomass and carbon stocks of the natural forests at Me Linh Biodiversity Station are shown. There are two forest types in this study: the forest vegetation restored after shifting cultivation (vegetation type I) and the forest vegetation restored after clear cutting exploitation (vegetation type II). As the results, the estimated biomass of the forest vegetation restored after shifting cultivation is 86.80 ton.ha-1 and the estimated biomass of the forest vegetation restored after clear cutting exploitation is higher, about 131.59 ton.ha-1. The carbon stock in plants was about 43.40 ton.ha-1 of vegetation type I and 65.79 ton.ha-1 of vegetation type II. The carbon storage in soil of vegetation type I is 79.01 ton.ha-1 and vegetation type II is 99.65 ton.ha-1. Hence, the total of carbon stock in forest vegetation I and II are accounted by 122.41ton.ha-1 and 165.44 ton.ha-1, respectively. In general, it can be pointed out that the naturally recovering secondary forest at Me Linh Station is the secondary young forest with the low economic value due to shortly restored process (about 10-20 years), the flora is not rich and abundant, and there are only commonly pioneer and light demanding tree species. / Sinh khối và trữ lượng các bon của rừng tự nhiên ở Việt Nam vẫn ít được quan tâm của do hạn chế về kiến thức và tài chính. Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra kết quả của việc ước lượng sinh khối và tổng hợp các bon của các thảm thực vật rừng thứ sinh phục hồi tự nhiên tại Trạm Đa dạng Sinh học Mê Linh, tỉnh Vĩnh Phúc- Việt Nam, nơi có loại hình thảm thực vật chính, đó là thảm thực vật phục hồi sau nương rẫy (kiểu thảm thục vật I) và thảm thực vật phục hồi sau khai thác kiệt (kiểu thảm thực vật II) nhằm mục đích đánh giá tiềm năng của rừng thứ sinh tại khu vực nghiên cứu. Sinh khối của thảm thực vật phục hồi sau nương rẫy là 86,80 tấn/ha. Sinh khối của thảm thực vật phục hồi sau khai thác cao hơn, đạt 131.59 tấn/ha. Lượng các bon hấp thu trong đất của thảm thực vật I là 79,01 tấn/ha và thảm thực vật II là 99,65 tấn/ha. Như vậy, tổng lượng các bon được hấp thu trong mỗi loại hình thảm thực vật trên là: 122,41 tấn/ha (thảm thực vật I) và 165,14 tấn/ha. Nhìn chung, rừng thứ sinh phục hồi tự nhiên tại Trạm Đa dạng Mê Linh chủ yếu là rừng non thứ sinh, ít có giá trị kinh tế do quá trình phục hồi diễn ra ngắn (khoảng 10-20 năm) nên thành phần thực vật nghèo nàn, không phong phú, thành phần chính chủ yếu là các cây gỗ tiên phong, ưa sáng.

Die Inhalte des DBFZ-Report Nr. 30 „Anlagenbestand Biogas und Biomethan – Biogaserzeugung und - nutzung in Deutschland“ wurden im Rahmen des Verbundvorhabens „Optionen für Biogas- Bestandsanlagen bis 2030 aus ökonomischer und energiewirtschaftlicher Sicht (FKZ 37EV 16 111 0)“ auf der Basis des AP 1 „Anlagenbestand Biogas und Biomethan“ durch DBFZ, dena und IWES erstellt. Das FuE-Vorhaben wurde vom Umweltbundesamt im Rahmen des EVUPLAN (FKZ: 37EV 16 111 0) ausgeschrieben und umfasst eine Projektlaufzeit von zwei Jahren (1/2017–2/2019). Im Projektverbund mit der Deutschen Energie-Agentur (dena), dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) und der Kanzlei Becker Büttner Held Rechtsanwälte Wirtschaftsprüfer Steuerberater (BBH) untersucht das Deutsche Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH die Perspektiven von Biogas-Bestandsanlagen in Deutschland. Ziel des Vorhabens ist es, sinnvolle ökologische und ökonomische Anlagenkonzepte für den Anlagenbestand der Zukunft aufzuzeigen. In insgesamt vier Arbeitspaketen werden verschiedene Aspekte zur perspektivischen Weiterentwicklung von Bestandsanlagen erforscht und u.a. die Fragen untersucht, welche alternativen Anlagenkonzepte besonders wertvoll für das sich verändernde Energiesystem sind, für welche Bestandsanlagen die Umrüstung zu einem dieser Konzepte technisch möglich, ökonomisch tragbar und ökologisch sinnvoll ist und welche Hemmnisse bei der Umsetzung solcher alternativen Anlagenkonzepte bestehen.