Der hierarchisch strukturierte und hoch geordnete Aufbau von Calciumphosphat und Kollagen in Knochen und Zähnen wird von den Zellen mit Hilfe bestimmter Moleküle erreicht. Diese organischen Moleküle, zumeist Proteine, beeinflussen durch die räumliche Anordnung ihrer Ladung das Präzipitations- und Wachstumsverhalten der mineralischen Phase. Die in dieser Arbeit beschriebenen Computersimulationen zeigen, dass ein Calciumphosphatkomplex mit deprotoniertem Phosphat am stabilsten ist. Vermutlich nimmt die Bindungsenergie pro Oberfläche des Komplexes mit wachsender Größe bis zu einem Ca9(PO4)6 -Komplex (Posner Klaster) linear zu. Die Präzipitation von Calciumphosphat aus wässriger Lösung führt häufig zu amorphen Kugeln mit 50-500 nm Durchmesser, die sphärische Unterstrukturen von ca. 5 nm Durchmesser zeigen und bei großer Dichte zu einer amorphen Schicht verschmelzen. Geringe Unterschiede in der Präparation können aber schon zu stäbchenförmigen oder plättchenartigen Kristalliten führen. Phosphoserin ist eine der wichtigsten Aminosäuren bei der Anbindung von Proteinen an Calciumphosphat. Das Computermodell zeigt an der gesamten Oberfläche dieser Aminosäure ein deutliches elektrisches Potential, dies begünstigt die Wechselwirkung mit Ionen. FT-IR- und NMR-Untersuchungen zeigen, dass Phosphoserin bei Kopräzipitation mit Calciumphosphat höchstwahrscheinlich in die mineralische Phase eingebaut wird. Serin zeigt bei der Kopräzipitation ab 1 mM einen Einfluss auf die Morphologie von Calciumphosphat, während Phosphoserin schon bei 0,01 mM einen deutlichen Einfluss zeigt. Elektronenspray-Ionisations-Massenspektroskopie (ESI-MS) bestätigt die relativ zum Serin intensivere Wechselwirkung von Phosphoserin mit Calciumphosphat. Das wichtigste Protein zur Vermeidung ektopischer Mineralisierung ist Fetuin. Dieses Protein stabilisiert die transient auftretenden amorphen Calciumphosphatkugeln (ACP-Kugeln) und erlaubt so dem Körper deren Entsorgung. Fetuin verhindert das Verschmelzen von ACP-Kugeln, wenn diese in großer Dichte auftreten, wobei deren feine Unterstruktur erhalten bleibt. Trotz des starken inhibitorischen Verhaltens wird das Auflösen von Brushit durch die Anwesenheit von Fetuin praktisch nicht beschleunigt. Auch auf die Kinetik der Assemblierung von Kollagen zeigt Fetuin praktisch keinen Einfluss. Des Weiteren wurde das Nukleationsverhalten des häufigsten, nichtkollagenen Knochenproteins, dem Osteocalcin (OC), mittels ESI-MS beobachtet. Die Untersuchungen von Osteocalcin in Calciumphosphatlösung zeigten Komplexe mit bis zu 8 Ca2+, der größte identifizierbare Komplex bestand aus [OC Ca2 (PO4 )2 Na4 ]+. Um die Mineralisierung von Kollagen genauer zu untersuchen, wurden assemblierte Kollagenfibrillen in der Flüssigzelle eines Atomkraftmikroskops (AFM) mit Calciumphosphat nachmineralisiert. Hierbei wurde eine gleichmäßige Anlagerung der offenbar amorphen mineralischen Phase beobachtet. Die Inkubation der Fibrillen mit Phospholipidvesikeln führte zu einem Aufweichen der Fibrillen. Des Weiteren wurden Phospholipidvesikel hergestellt, um den Calciumphosphatniederschlag in einem räumlich stark begrenzten Abschnitt zu untersuchen. Die Vesikel wurden mit REM und AFM abgebildet und so verschiedene Präparationsmethoden verglichen. Es konnten plättchenförmige Kristallite an der Vesikelmembran gezüchtet werden, während bei Anwesenheit von Phosphoserin globuläre Objekte auftraten. Eine Arbeitshypothese wurde entwickelt, die das unterschiedliche Wachstumsverhalten von Calciumphosphat in wässriger Lösung mit einer positiv geladenen Hydrathülle um den Calciumphosphatkeim erklärt. Die Protonen stammen vom deprotonierten Phosphat des Mineralkeims und können sich auf Grund der adsorbierten Wassermoleküle nicht sofort in der Lösung verteilen. Diese Hülle aus H3O+ verhindert das beliebige Anlagern von Ionen an den Mineralkeim und lenkt so dessen Morphologie.

Pflanzenwurzeln reagieren auf Phosphat- oder Eisenmangel mit einer vermehrten Wurzelhaarbildung, was eine Vergrößerung der absorptiven Oberfläche bewirkt. Die erhöhte Anzahl an Wurzelhaaren wird dabei auf verschiedene Weise gebildet. Phosphat-defiziente Arabidopsis-Pflanzen erhöhen die Anzahl an Wurzelhaarzellen, während sich unter Eisenmangel verzweigte Wurzelhaare entwickeln. Die Fe- und P-Homöostase wird durch systemische und lokale Signalwege reguliert. Der Einfluss dieser Signale auf die Fe- bzw. Psensitive Wurzelhaarentwicklung wurde mithilfe von split-root-Experimenten untersucht, die mit einem systemischen Mangel- oder Suffizienzsignal kombiniert wurden. Die Verzweigung der Wurzelhaare Fe-defizienter Pflanzen wurde durch ein dominantes Suffizienzsignal reprimiert, unabhängig von seiner lokalen oder systemischen Herkunft. Die Erhöhung der Wurzelhaarzahl bei P-Mangelpflanzen wurde durch ein dominantes Defizienzsignal induziert. Um herauszufinden, welches Entwicklungsstadium von dem jeweiligen Nährstoff beeinflusst wird, wurden Mutanten mit Defekten in frühen und späten Wurzelhaarentwicklungsstadien untersucht. Mutanten mit beeiträchtigter Wurzelhaar-Spezifikation wichen in ihrer Wurzelhaarzahl und –lokalisation vom Wildtyp ab, zeigten aber eine Fe- oder P-sensitive Veränderung. Die Gene aus frühen Entwicklungsstadien sind demnach essentiell für die Reaktion, sind aber nicht das direkte Ziel der Mangelsignale. Frühe Zelleigenschaften in der meristematischen Region waren durch die Eisen- oder Phosphatverfügbarkeit nicht verändert, was darauf hindeutet, dass die Wurzelhaarbildung erst in einem späteren Entwicklungsstadium durch die Nährstoffe beeinflusst wird. Mutanten mit Defekten in späteren Entwicklungsstadien zeigten kurze oder verformte Wurzelhaare unabhängig von der Nährstoffversorgung. Das Fe- oder P-Signal mündet also vor der Wirkung dieser Komponenten in die Wurzelhaarbildung ein. Das heisst, nachdem die korrekte Wurzelhaar-Position und -Anzahl in Anpassung an das Fe- oder P-Angebot festgelegt wurde, werden die Wurzelhaare unter allen Wachstumsbedingungen von einer gemeinsamen Maschinerie elongiert. Zur Identifikation potentiell neuer Gene, die die Wurzelhaarbildung in Anpassung an P-Mangel regulieren, wurden sechs Mutanten isoliert, die keine Wurzelhaare bei P-Mangel bilden, aber nach dem Transfer auf P-suffizientes Medium nicht beeinträchtigt waren. Eine dieser Mutanten, per2, wurde phänotypisch und genetisch charakterisiert. Neben der veränderten Wurzelhaarbildung zeigte per2 auch eine konstitutiv erhöhte Lateralwurzelbildung und eine erhöhte Anthozyan-Akkumulation bei P-Mangel. Laut epistatischen Analysen gehört die per2 Mutante zu einem Signalweg, der unabhängig von frühen Zellspezifikationsgenen wirkt. Der per2-Locus wurde innerhalb eines 87,5 kpb großen Abschnittes auf dem oberen Arm von Chromosom 3 kartiert. Mutanten die einen per2-ähnlichen Phänotyp zeigen, wurden bisher nicht beschrieben. Daher handelt es sich bei PER2 möglicherweise um ein neues Gen, das die Wurzelhaarbildung bei Phosphatmangel reguliert und weitere P-Mangelreaktionen beeinflusst. / Limitation of immobile nutrients, such as iron (Fe) and phosphate (P), induces the development of additional root hairs that lead to an increase of the absorptive surface of the root. The increased root hair frequency of Fe- and P-deficient Arabidopsis was realized by different strategies. Phosphate-deficient plants increased the number of root hairs while in Festarved plants root hairs were branched. The Fe and P starvation responses in plants are thought to be regulated by a systemic signaling mechanism that communicates the nutrient status of the shoot to the root and by a local signaling mechanism that perceives the Fe or P availability in the soil. The influence of local and systemic signals on the respective root hair phenotype was investigated in split-root experiments. This treatment was combined with either a nutrient-sufficient or -deficient shoot. The root hair branching typical of Fe-deficient plants only occured in the presence of both a local and a systemic Fe-deficiency signal. As a consequence, an Fe sufficiency signal acted dominantly to any deficiency signal, independent of its origin. The increased number of root hairs in P-deficient plants, conversely, was activated through either a local or a systemic P deficiency signal. Thus, the P deficiency signal acted dominantly to any sufficiency signal. To determine, which stage of root hair development was influenced by iron and phosphate, mutants with defects in different stages of root hair development were investigated for their root hair phenotype. Mutants affected in the early stages of root hair development, such as specification, displayed marked changes in the number and localization of root hairs. However, the nutritional signal was perceived and translated in this group of mutants. This indicates that the specification genes are involved in the nutrient-sensitive root hair formation, but may not be the direct targets. Early cell characteristics of root hairs in the late meristematic region of the root, like the expression of marker genes, were unaltered in plants adapted to Fe or P deficiency. This suggested the nutritional signal modulates root hair development after these characteristics have been established. Mutants with defects in the later stages of root hair development, such as root hair elongation, showed short or deformed root hairs in the proper position and frequency and were, thus, impaired independent of the Fe or P supply. Thus, the nutritional signal may enter the root hair developmental pathway around the stage of root hair initiation and bulge formation. Finally, six mutants were screened that did not form root hairs under P deficiency but developed normal, when the plants were transferred to P-sufficient medium. One of these mutants, per2 (phosphate deficiency root hair defective2), was characterized phenotypically and genetically. In addition to the impaired root hair growth, the per2 mutant displayed a constitutively high lateral root number and accumulated an increased amount of anthocyanins under P starvation. Epistatic analysis revealed that per2 action is independent of early cell specification genes. The per2 mutation was mapped to a 87.6 kbp region on the upper arm of chromosome 3 containing 19 genes. The per2 phenotype has not been described before. Thus, PER2 is a potential new gene involved in root hair development under phosphate deficiency.

Aquaponik-Systeme stellen an sich einen sehr nachhaltigen, innovativen Ansatz für die zukünftige Lebensmittelproduktion dar. Allerdings hat sich bis heute noch kein flächendeckender, ökonomischer Erfolg eingestellt und wesentliche systemische Engpässe wurden wissenschaftlich nicht untersucht. Daher waren die Hauptziele dieser Dissertation, (I) sichere Nitratkonzentrationen in geschlossenen Kreislaufanlagen (RAS) zu ermitteln, unter denen optimales Wachstum und Tierwohl produzierter Tilapien gewährleistet ist, (II) die Evaluierung des besten Designkonzeptes für die optimale, kombinierte Produktion von Fisch und Pflanzen und (III) die allgemeine Effizienz bei der Wiederverwertung des Abwassers und der Nährstoffe aus dem Schlamm der mechanischen Filtrationseinheiten in aquaponischen Systemen zu erhöhen. Das Wachstum und die Gesundheit von Niltilapien (Oreochromis niloticus) wird durch hohe Nitratkonzentrationen (> 500 mgL-1 NO3--N) negativ beeinflusst. Nitratkonzentrationen, die für die Produktion von Pflanzen in aquaponischen Systemen (~ 200 mgL-1 NO3--N) optimal sind, haben keinen negativen Einfluss auf das Tierwohl. Entkoppelte Kreislaufsysteme sind bei einer professionellen aquaponischen Produktion von Fisch und Pflanzen zu bevorzugen. Bei der Produktion von Fisch ergab sich keinerlei Unterschied, jedoch wurde eine deutlich gesteigerte Tomatenproduktion von 36 % in entkoppelten Kreislaufsystemen erreicht. Die aerobe Mineralisation zeigte das beste Rückgewinnungpotential von Phosphat und nur geringe Nitratverluste und kann in der Gesamtheit eine deutliche Effizienzsteigerung aquaponischer Systeme zur Folge haben. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Engpässe in der Aquaponik klar auf und liefern gleichzeitig Lösungsansätze, wie diese Hindernisse in Bezug auf das Nährstoff- und Ressourcenmanagement überwunden werden können. Dadurch kann die Nachhaltigkeit dieser Anlagen gesteigert und die Wahrscheinlichkeit des wirtschaftlichen Erfolges erhöht werden. / Aquaponics is the combination of fish production in aquaculture and hydroponic (soilless) production of crop plants. Despite of representing already a sustainable, innovative approach for future food production systems, aquaponics are still missing economic success and up to date major bottlenecks were not scientifically addressed. Therefore the main aims of this thesis were (I) to identify safe nitrate concentrations under which best growth and health status of tilapia can be guaranteed in aquaponics, (II) to evaluate the best design concept for an optimal combined production of fish and plants and (III) to increase the overall system efficiency by recycling waste water and nutrients deposited in the sludge of the mechanical filtration unit. The growth and health status of Nile tilapia (Oreochromis niloticus) is negatively affected by high nitrate concentrations (> 500 mgL-1 NO3--N) commonly reported for RAS. Nevertheless, optimal nitrate concentrations for plant production in aquaponic systems (~ 200 mgL-1 NO3--N) are not affecting fish welfare and allow for an efficient production of Nile tilapia. Decoupled aquaponics proved to be favorable for professional aquaponic production, whereas coupled systems were suboptimal for a combined production of fish and plants. There were no differences in fish production, whereas tomato production within the decoupled system was considerably increased by 36 %. Aerobic mineralization of phosphate revealed best phosphate recovery with only minor losses of nitrate. Recycling of water sludge mixture from clarifiers resulted in a substantial phosphor recovery, an increase in potassium and additional water savings. Conclusively, the results of this holistic thesis clearly revealed the bottlenecks in aquaponic technology and provided guidance in overcoming mayor obstacles in terms of optimized nutrient and resource management to increase the overall sustainability of these systems and improve production efficiency and profitability.

Post-translational redox-regulation is a well-known mechanism to regulate enzymes of the Calvin cycle, oxidative pentose phosphate cycle, NADPH export and ATP synthesis in response to light. The aim of the present thesis was to investigate whether a similar mechanism is also regulating carbon storage in leaves. <br><br> Previous studies have shown that the key-regulatory enzyme of starch synthesis, ADPglucose pyrophosphorylase (AGPase) is inactivated by formation of an intermolecular disulfide bridge between the two catalytic subunits (AGPB) of the heterotetrameric holoenzyme in potato tubers, but the relevance of this mechanism to regulate starch synthesis in leaves was not investigated. The work presented in this thesis shows that AGPase is subject to post-translational redox-regulation in leaves of pea, potato and Arabidopsis in response to day night changes. Light was shown to trigger posttranslational redox-regulation of AGPase. AGPB was rapidly converted from a dimer to a monomer when isolated pea chloroplasts were illuminated and from a monomer to a dimer when preilluminated leaves were darkened. Conversion of AGPB from dimer to monomer was accompanied by an increase in activity due to changes in the kinetik properties of the enzyme. Studies with pea chloroplast extracts showed that AGPase redox-activation is mediated by thioredoxins f and m from spinach in-vitro. In a further set of experiments it was shown that sugars provide a second input leading to AGPase redox activation and increased starch synthesis and that they can act as a signal which is independent from light. External feeding of sugars such as sucrose or trehalose to Arabidopsis leaves in the dark led to conversion of AGPB from dimer to monomer and to an increase in the rate of starch synthesis, while there were no significant changes in the level of 3PGA, an allosteric activator of the enyzme, and in the NADPH/NADP+ ratio. Experiments with transgenic Arabidopsis plants with altered levels of trehalose 6-phosphate (T6P), the precursor of trehalose synthesis, provided genetic evidence that T6P rather than trehalose is leading to AGPase redox-activation. Compared to Wt, leaves expressing E.coli trehalose-phosphate synthase (TPS) in the cytosol showed increased activation of AGPase and higher starch level during the day, while trehalose-phosphate phosphatase (TPP) overexpressing leaves showed the opposite. These changes occurred independently of changes in sugar and sugar-phosphate levels and NADPH/NADP+ ratio. External supply of sucrose to Wt and TPS-overexpressing leaves led to monomerisation of AGPB, while this response was attenuated in TPP expressing leaves, indicating that T6P is involved in the sucrose-dependent redox-activation of AGPase. To provide biochemical evidence that T6P promotes redox-activation of AGPase independently of cytosolic elements, T6P was fed to intact isolated chloroplasts for 15 min. incubation with concentrations down to 100 µM of T6P, but not with sucrose 6-phosphate, sucrose, trehalose or Pi as controls, significantly and specifically increased AGPB monomerisation and AGPase activity within 15 minutes, implying T6P as a signal reporting the cytosolic sugar status to the chloroplast. The response to T6P did not involve changes in the NADPH/NADP+ ratio consistent with T6P modulating redox-transfer to AGPase independently of changes in plastidial redox-state. <br><br> Acetyl-CoA carboxylase (ACCase) is known as key-regulatory enzyme of fatty acid and lipid synthesis in plants. At the start of the present thesis there was mainly in vitro evidence in the literature showing redox-regulation of ACCase by DTT, and thioredoxins f and m. In the present thesis the in-vivo relevance of this mechanism to regulate lipid synthesis in leaves was investigated. ACCase activity measurement in leaf tissue collected at the end of the day and night in Arabidopsis leaves revealed a 3-fold higher activation state of the enzyme in the light than in the dark. Redox-activation was accompanied by change in kinetic properties of ACCase, leading to an increase affinity to its substrate acetyl-CoA . In further experiments, DTT as well as sucrose were fed to leaves, and both treatments led to a stimulation in the rate of lipid synthesis accompanied by redox-activation of ACCase and decrease in acetyl-CoA content. <br><br> In a final approach, comparison of metabolic and transcript profiling after DTT feeding and after sucrose feeding to leaves provided evidence that redox-modification is an important regulatory mechanism in central metabolic pathways such as TCA cycle and amino acid synthesis, which acts independently of transcript levels. / Es ist bereits seit längerem bekannt, dass viele Enzyme des Calvinzyklus, des oxidativen Pentosephosphatwegs, des NAD(P)H-Exports und der ATP-Synthese durch post-translationale Redox-Modifikation in Antwort auf Licht reguliert werden. In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob ein ähnlicher Mechanismus auch die Kohlenstoffspeicherung in Blättern reguliert. <br><br> Vorangegangene Studien mit Kartoffelknollen zeigten, dass das Schlüsselenzym der Stärkesynthese ADP-Glukose-Pyrophosphorylase (AGPase) durch die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den zwei kleinen Untereinheiten (AGPB) des tetrameren Proteins inaktiviert wird, die Bedeutung dieses Mechanismus für die Stärkesynthese in Blättern blieb jedoch bislang ungeklärt. Die vorliegenden Arbeiten zeigen, das AGPase in Erbsen-, Kartoffel- und Arabidopsis-Blättern über post-translationale Redox-Modifikation in Antwort auf Tag-Nacht Änderungen reguliert wird. Dies erfolgt über ein Licht-abhängiges Signal, da, erstens, AGPB in isolierten Chloroplasten durch Belichtung sehr schnell von Dimer zu Monomer umgewandelt wird und, zweitens, ein Abdunkeln der Blätter zu einer schnellen Umwandlung von AGPB von Monomer zu Dimer führt. Die Monomerisierung von AGPB ging mit Änderungen in den kinetischen Eigenschaften des Enzyms einher, die zu einer Aktivierung führten. Studien mit Extrakten aus Erbsenchloroplasten zeigten, dass die AGPase-Redoxaktivierung in-vitro durch die Thioredoxine f und m aus Spinat vermittelt wird. In einem weiteren experimentellen Ansatz konnte gezeigt werden, dass auch Zucker zu Redox-Aktivierung der AGPase und erhöhter Stärkesynthese in Blättern führen, und dass diese unabhängig von Licht wirken. Externe Zugabe von Zuckern wie Saccharose oder Trehalose an Arabidopsis-Blätter im Dunkeln führten zu Monomerisierung von AGPB und einer Erhöhung der Stärkesyntheserate / während die Spiegel des allosterischen Aktivators 3PGA unverändert blieben und keine Änderungen im NADPH/NADP+-Verhältnis auftraten. Experimente mit transgenen Arabidopsis-Pflanzen mit veränderten Spiegeln des Vorläufers der Trehalosesynthese, Trehalose-6-phosphat (T6P), zeigten, dass T6P und nicht Trehalose zu Redox-Aktivierung von AGPase führt. Expression einer E. coli T6P synthase (TPS) im Zytosol führte zu erhöhter Redox-Aktivierung von AGPase und erhöhter Stäreksynthese in Blättern, während die Expression einer T6P-Phosphatase (TPP) gegenteilige Änderungen bewirkte. Diese Auswirkungen erfolgten unabhängig von Änderungen in den Spiegeln von Zuckern und Zuckerphosphaten oder im NADPH/NADP+-Verhältnis. Externe Zugabe von Saccharose führte zu Monomerisierung von AGPB in Wildtyp und TPS exprimierenden Blättern, während diese Antwort in TPP exprimierenden Blättern stark abgeschwächt war. Dies zeigt, dass T6P eine wesentliche Komponente darstellt, die die Redox-Aktivierung der AGPase in Antwort auf Saccharose vermittelt. T6P wurde auch für 15 min direkt an intakte, isolierte Erbsenchloroplasten gefüttert. T6P Konzentrationen im Bereich von 100 µM bis 10 mM führten zu einem signifikanten und spezifischen Anstieg der AGPB-Monomersierung und der AGPase Aktivität. Dies zeigt, dass T6P auch ohne zytosolische Elemente die Redox-Aktivierung der AGPase stimuliert und somit ein Signal zwischen Zytosol und Plastid darstellt. Diese Antwort erfolgte ohne Änderungen im NADPH/NADP+-Verhältnis, was zeigt, dass T6P eher den Redox-Transfer zu AGPase als den Redoxzustand des Chloroplasten moduliert. <br><br> Acetyl-CoA-Carboxylase (ACCase) ist als Schlüsselenzym der Fettsäure- und Lipidsynthese in Pflanzen bekannt. Zu Beginn der vorliegenden Arbeit lagen hauptsächlich in-vitro Befunde vor, die zeigten, dass ACCase durch DTT und thioredoxine f und m über Redox-Modulation reguliert wird. In der Arbeit sollte daher die in-vivo Relevanz dieses Mechanismus für die Regulation der Lipidsynthese in Blättern untersucht werden. ACCase zeigte einen höheren Redox-Aktivierungszustand in Arabidopsis-Blätter, die während des Tages im Vergleich zur Nacht geerntet wurden. Die Redox-Aktivierung der ACCase wurde von Änderungen in den kinetischen Eigenschaften begleitet und führte zu einer erhöhten Affinität des Enzymes gegenüber Acetyl-CoA als Substrat. <br><br> In weiteren Versuchen wurde sowohl DTT als auch Saccharose an Blätter gefüttert, und beide Behandlungen führten zu Redox-Aktivierung von ACCase, was mit erhöhten Lipidsynthesraten und einem Rückgang des Acetyl-CoA-Spiegels einherging.

The adsorption and organization of reactive microgels has been investigated on technical aluminium. By means of a two-step emulsion polymerisation with phosphate substituted monomer we obtain polymeric nano-particles with phosphate groups on the surface. In a first step cross-linked butyl acrylate/styrene particles were formed. In a second step a mixture of functionalised acrylate and butyl acrylate/styrene was added to the system. In this way, the composite particles were obtained. Particle size and size distribution were measured by F-FFF and light scattering methods. For phosphate functionalised dispersions, it was possible to show the distribution of P-species around particles by energy dispersive TEM easurements. These nano-particles adsorb spontaneously onto aluminium surfaces from aqeous dispersion. They form well packed layers, which have been proved by SEM measurements. The properties of the adsorbed microgel layers were confirmed by industrial linked adhesion and corrosion tests. Panels with adsorbed phosphate funczionalised particles have an excellent corrosion inhibition effect.

No description available.

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The adsorption and organization of reactive microgels has been investigated on technical aluminium. By means of a two-step emulsion polymerisation with phosphate substituted monomer we obtain polymeric nano-particles with phosphate groups on the surface. In a first step cross-linked butyl acrylate/styrene particles were formed. In a second step a mixture of functionalised acrylate and butyl acrylate/styrene was added to the system. In this way, the composite particles were obtained. Particle size and size distribution were measured by F-FFF and light scattering methods. For phosphate functionalised dispersions, it was possible to show the distribution of P-species around particles by energy dispersive TEM easurements. These nano-particles adsorb spontaneously onto aluminium surfaces from aqeous dispersion. They form well packed layers, which have been proved by SEM measurements. The properties of the adsorbed microgel layers were confirmed by industrial linked adhesion and corrosion tests. Panels with adsorbed phosphate funczionalised particles have an excellent corrosion inhibition effect.

In dieser Arbeit wurde Atomlagenabscheidung (ALD) zur Herstellung von Einzelschichten und Multischichten auf Kohlenstofffasern, Kohlenstoffgeweben und Siliziumcarbidgeweben verwendet. Im ersten Teil der Arbeit werden bekannte Prozesse zur Herstellung von Titanoxid- und Aluminiumoxidschichten optimiert. Die Zykluszeit wurde so verkürzt, dass die Qualität der Beschichtung und das Wachstum pro Zyklus sich nicht veränderten. Dies hat für die Abscheidung von Aluminiumoxid und Titanoxid zur Folge, dass beide Prozesse von einer Zykluszeit von 120 Sekunden auf 40 Sekunden gekürzt werden können. Im Weiteren werden Multischichten, bestehend aus Aluminiumoxid, Titanoxid-Furfurylalkohol und Titanphosphat auf Kohlenstofffasergewebe und Siliziumcarbidfasergewebe aufgebracht. Hier kann die konforme Beschichtung sowohl auf einzelnen Geweben als auch auf gestapelten Gewebestreifen aufgebracht werden. Dabei verdoppelt sich die zu beschichtende Fläche. Im letzten Teil der Arbeit wird ein neuartiger ALD-Prozess zur Herstellung von Titanphosphatbeschichtungen gezeigt. Zum einen sind die Präkursor TiCl4 und TTMSP und Wasser für die Herstellung einer Schicht nötig. Für diesen Prozess kann ein lineares Wachstum der Schichtdicke in Abhängigkeit der Zyklenzahl und ihre selbstlimitierende Reaktion gezeigt werden. Zusätzlich wird die chemische Zusammensetzung der Beschichtung und ihre Temperaturstabilität untersucht. Durch thermogravimetrische Analyse kann gezeigt werden, dass die Oxidationstemperatur der Kohlenstofffaser mit dieser Beschichtung deutlich erhöht wird.

Ungefähr 1% der Bevölkerung der westlichen Welt leidet an rheumatoider Arthritis (RA). In einem T-Zellrezeptor transgenen Mausmodell, dem K/BxN Modell, wird die ubiquitär exprimierte Glukose-6-phosphat Isomerase (G6PI) von autoreaktiven T- und B-Zellen erkannt. Diese Mäuse entwickeln spontan eine antikörpervermittelte Arthritis, die viele Gemeinsamkeiten mit der humanen RA aufweist. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob die Immunisierung mit G6PI eine Arthritis auch in nicht-transgenen Mäuse induzieren kann. Die Immunisierung mit heterologer humaner G6PI führte zur Entwicklung einer peripheren symmetrischen Polyarthritis in über 95% der DBA/1 Mäuse. Damit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass eine Immunreaktion gegen ein systemisches exprimiertes Antigen zur einer organspezifischen Erkrankung in normalen nicht-transgenen Mäusen führt. Die Tiere entwickeln nach 9 Tagen eine Arthritis, die bis Tag 15 ihr Maximum erreicht hat und dann langsam abnimmt. Histologisch ist die Arthritis durch eine frühe Synovitis charakterisiert, gefolgt von massiven Erosionen des Knorpel und Knochens und anschließenden Reparaturprozessen, inklusive Fibrose. Obwohl die Tiere hohe Antikörpertiter entwickeln, kann die Arthritis nicht durch aufgereinigte Antikörper kranker Mäuse transferiert werden. Trotzdem spielen Antikörper eine große Rolle, da FcR-gamma-Kette defiziente Mäuse eine Arthritis mit geringer Inzidenz und mildem Verlauf entwickeln. Die Depletion der CD4 positiven Zellen verhindert die Entwicklung der Arthritis völlig, und eine Depletion während der Erkrankung führt zur schnellen Heilung. Daneben ist für die Entwicklung der Arthritis auch das Komplementsystem und TNF-alpha entscheidend, was durch Depletion von C5 bzw. durch Blockade von TNF-alpha gezeigt wurde. Zusätzlich wurde die Rolle der G6PI bei der Pathogenese der RA im Menschen untersucht. RA-Patienten zeigten keine erhöhte Frequenz von CD4 positiven T-Zellen, die nach Restimulation mit G6PI TNF-alpha oder IFN-gamma produzierten. Außerdem konnten keine erhöhten anti-G6PI Titer in Patienten mit RA oder anderen rheumatischen Erkrankungen detektiert werden. / About 1% of the of the population of the western world suffers from rheumatoid arthritis (RA). In a T-cell receptor transgenic mouse model, the K/BxN model, the ubiquitously expressed glucose-6-phosphate isomerase (G6PI) is recognized by autoreactive T- and B-cells. These mice do develop an antibody dependent arthritis which show a lot of features of human RA. In this study it was examined whether arthritis could be induced in normal non-transgenic mice by immunization with G6PI. Immunization with heterologous human G6PI induces a symmetric polyarthritis in over 95% of DBA/1 mice. Therewith showing for the first time that an immune reaction against an systemic expressed antigen will lead to the development of an organ specific disease in normal non-transgenic mice. The mice develop arthritis 9d after immunization, reach their maximum at d15 and then arthritis slowly resolve. Histologically, the disease is characterized by early synovitis followed by massive cartilage destruction and erosions of the bones and later repair processes including fibrosis. Although antibody titers in the mice are high, transfer of purified anti-G6PI antibodies of sick mice alone do not transfer disease. Anyway, antibodies seem to play a major role since FcR-gamma-chain deficient mice develop disease with a much lower frequency and reduced severity. Depletion of CD4 positive T cells completely prevents disease and depletion during disease leads to an rapid resolution of arthritis. Aside this, complement and TNF-alpha is critical for the development of arthritis, which could shown by depletion of C5 and blockade of TNF-alpha. In addition, the role of G6PI in the pathogenesis of RA in humans was examined. RA patients do not show a higher frequency of CD4 positive T-cells which produce TNF-alpha and IFN-gamma after restimulation with G6PI. Furthermore, no elevated anti-G6PI titers could be detected in RA patients and in patients with other rheumatic diseases.