C. N. R. Rao and the Growth of Solid State and Materials Chemistry as a Central Domain of Research

In celebrating Professor C. N. R. Rao's 80th birthday, this article recalls his singular contributions to solid state and materials chemistry for about sixty years. In so doing, the article also traces the growth of the field as a central domain of research in chemical sciences from its early origins in Europe. Although Rao's major work lies in solid state and materials chemistry - a field which he started and nurtured in India while its importance was being recognized internationally - his contributions to other areas of chemistry (and physics), viz., molecular spectroscopy, phase transitions, fullerenes, graphene, nanomaterials and multiferroics are equally significant. Illustrative examples of his work devoted to rare earth and transition metal oxides, defects and nonstoichiometry, metal-insulator transitions, investigation of crystal and electronic structures of a variety of solids by means of electron microscopies and photoelectron spectroscopy, superconducting cuprates, magnetoresistive manganites, multiferroic metal oxides of various structures and, last but not the least, development of new strategies for chemical synthesis of a wide variety of solids including nanomaterials and framework solids in different dimensionalities, are highlighted. The article also captures his exemplary role as a science teacher, science educationist and institution builder in post-Independence India.

Composition dependent non-ideality in aqueous binary mixtures as a signature of avoided spinodal decomposition

We explore the potential energy landscape of structure breaking binary mixtures (SBBM) where two constituents dislike each other, yet remain macroscopically homogeneous at intermediate to high temperatures. Interestingly, we find that the origin of strong composition dependent non-ideal behaviour lies in its phase separated inherent structure. The inherent structure (IS) of SBBM exhibits bi-continuous phase as is usually formed during spinodal decomposition. We draw analogy of this correlation between non-ideality and phase separation in IS to explain observation of non-ideality in real aqueous mixtures of small amphiphilic solutes, containing both hydrophilic and hydrophobic groups. Although we have not been able to obtain IS of these liquids, we find that even at room temperature these liquids sustain formation of fluctuating, transient bi-continuous phase, with limited lifetime (tau less than or similar to 20 ps). While in the model (A, B) binary mixture, the non-ideal composition dependence can be considered as a fluctuation from a phase separated state, a similar scenario is expected to be responsible for the unusually strong non-ideality in these aqueous binary mixtures.

Excited electronic state decomposition mechanisms of clusters of dimethylnitramine and aluminum

In this report, electronically non-adiabatic decomposition pathways of clusters of dimethylnitramine and aluminum (DMNA-Al and DMNA-Al-2) are discussed in comparison to isolated dimethylnitramine (DMNA). Electronically excited state processes of DMNA-Al and DMNA-Al-2 are explored using the complete active space self-consistent field (CASSCF) and the restricted active space self-consistent field (RASSCF) theories, respectively. Similar to the nitro-nitrite isomerization reaction pathway of DMNA, DMNA-Al-n clusters also exhibit isomerization pathway. However, it involves several other steps, such as, first Al-O bond dissociation, then N-N bond dissociation followed by isomerization and finally NO elimination. Furthermore, DMNA-Al-n clusters exhibit overall exothermic decomposition reaction pathway and isolated DMNA shows overall endothermic reaction channel.

A new synthesis of Entacapone and report on related studies

A new synthesis of the catechol-O-methyltransferase (COMT) inhibitor, entacapone (E-isomer) has been achieved under mild conditions by amine-mediated demethylation of the precursor 2-Cyano-3-(3- hydroxy-4-methoxy-5-nitrophenyl) prop-2-eneamide, wherein the methoxyl group adjacent to a nitro group gets demethylated under nucleophilic attack. Similar demethylation was achieved on ethyl 2-cyano-3-(3, 4-dimethoxy-5-nitrophenyl) prop-2-enoate, 2-cyano-3-(3,4-dimethoxy-5-nitrophenyl)-N,N-diethylprop-2-enamide, ethyl 2-cyano-3-(3-hydroxy-4-methoxy-5-nitrophenyl) prop-2-enoate and ethyl 2-cyano-3-(4-methoxy-3-nitrophenyl) prop-2-enoate. The scope of demethylation has been studied. Analogues of ethyl 2-cyano-3-(3, 4-dimethoxy-5-nitrophenyl) prop-2-enoate wherein a methoxyl group is not adjacent to a NO (2) group are unaffected and phenolic derivatives yield the amine salts. Entacapone has been converted to salts with organic bases. The crystal structure of the isomer of entacapone (Z-isomer), a significant human metabolite of E-isomer has been established. NMR methods for deriving E and Z geometry and other similar molecules have been successfully established, mainly by studying the proton coupled C-13 spectra. Preliminary studies reveal in vitro activity for some compounds against tuberculosis (TB) and dengue.

Chemical equilibrium analysis and CFD simulation of coal combustion and NOx formation

A full two-fluid model of reacting gas-particle flows with an algebraic unified second-order moment (AUSM) turbulence-chemistry model is used to simulate Beijing coal combustion and NOx formation. The sub-models are the k-epsilon-kp two-phase turbulence model, the EBU-Arrhenius volatile and CO combustion model, the six-flux radiation model, coal devolatilization model and char combustion model. The blocking effect on NOx formation is discussed. In addition, the chemical equilibrium analysis is used to predict NOx concentration at different temperature. Results of CID simulation and chemical equilibrium analysis show that, optimizing air dynamic parameters can delay the NOx formation and decrease NOx emission, but it is effective only in a restricted range. In order to decrease NOx emission near to zero, the re-burning or other chemical methods must be used.

Studies on phenolase enzyme in prawns. II. The inhibitory action on the enzyme by certain chemical agents

The effect of certain chemical agents on dopa oxidation by phenolases has been examined. Sulphur containing amino carboxylic acids are inhibitory agents for dopa oxidation. Tyrosine, a substrate for the enzyme also acts as an inhibitor for dopa oxidation by the enzyme. The possible mode of action has been discussed. The function of diethyl dithiocarbamate in suppressing the display of enzyme activity has been detailed and its behaviour has been compared to the other chemical agents studied.

Structure identification of a prenylflavonol glycoside from Epimedium koreanum by electrospray ionization tandem mass spectrometry

A novel prenylflavonol glycoside, named acetylicariin, has been isolated from the aerial parts of Epimedium koreanum Nakai. The structure has been identified by electrospray ionization multi-stage tandem mass spectrometry (ESI-MSn) and other chemical evidence, which has been elucidated as 8-prenylkaempferol-4'-methoxyl-3-O-alpha-L-rhamnopyranosyl-7-O-beta-D-(2''-O-acetyl)glucopyranoside.

Assessing the sensitivity of Sabellaria spinulosa to pressures associated with marine activities.

The Joint Nature Conservation Committee (JNCC) commissioned this project to generate an improved understanding of the sensitivities of Sabellaria spinulosa reefs based on the OSPAR habitat definition. This work aimed to provide an evidence base to facilitate and support management advice for Marine Protected Areas, development of UK marine monitoring and assessment, and conservation advice to offshore marine industries. The OSPAR list of threatened and declining species and habitats refers to subtidal S. spinulosa reefs on hard or mixed substratum. S. spinulosa may also occur as thin crusts or individual worms but these are not the focus of conservation. The purpose of this project was to produce sensitivity assessments with supporting evidence for S. spinulosa reefs, clearly documenting the evidence behind the assessments and the confidence in these assessments. Sixteen pressures, falling in five categories - biological, hydrological, physical damage, physical loss, and pollution and other chemical changes - were assessed in this report. To develop each sensitivity assessment, the resistance and resilience of the key elements of the habitat were assessed against the pressure benchmark using the available evidence. The benchmarks were designed to provide a ‘standard’ level of pressure against which to assess sensitivity. The highest sensitivity (‘medium’) was recorded for physical pressures which directly impact the reefs including: • habitat structure changes – removal of substratum; • abrasion and penetration and sub-surface disturbance; • physical loss of habitat and change to habitat; and • siltation rate changes including and smothering. The report found that no evidence for differences in the sensitivity of the three EUNIS S. spinulosa biotopes that comprise the OSPAR definition. However, this evidence review has identified significant information gaps regarding sensitivity, ecological interactions with other species and resilience. No clear difference in resilience was established across the OSPAR S. spinulosa biotopes that were assessed in this report. Using a clearly documented, evidence based approach to create sensitivity assessments allows the assessment and any subsequent decision making or management plans to be readily communicated, transparent and justifiable. The assessments can be replicated and updated where new evidence becomes available ensuring the longevity of the sensitivity assessment tool. Finally, as S. spinulosa habitats may also contribute to ecosystem function and the delivery of ecosystem services, understanding the sensitivity of these biotopes may also support assessment and management in regard to these. Whatever objective measures are applied to data to assess sensitivity, the final sensitivity assessment is indicative. The evidence, the benchmarks, the confidence in the assessments and the limitations of the process, require a sense-check by experienced marine ecologists before the outcome is used in management decisions.

Assessing the sensitivity of blue mussel beds to pressures associated with human activities.

The Joint Nature Conservation Committee (JNCC) commissioned this project to generate an improved understanding of the sensitivities of blue mussel (Mytilus edulis) beds, found in UK waters, to pressures associated with human activities in the marine environment. The work will provide an evidence base that will facilitate and support management advice for Marine Protected Areas, development of UK marine monitoring and assessment, and conservation advice to offshore marine industries. Blue mussel beds are identified as a Habitat of Principle Importance (HPI) under the Natural Environment and Rural Communities (NERC) Act 2006, as a Priority Marine Feature (PMF) under the Marine (Scotland) Act 2010, and included on the OSPAR (Annex V) list of threatened and declining species and habitats. The purpose of this project was to produce sensitivity assessments for the blue mussel biotopes included within the HPI, PMF and OSPAR habitat definitions, and clearly document the supporting evidence behind the assessments and any differences between them. A total of 20 pressures falling in five categories - biological, hydrological, physical damage, physical loss, and pollution and other chemical changes - were assessed in this report. The review examined seven blue mussel bed biotopes found on littoral sediment and sublittoral rock and sediment. The assessments were based on the sensitivity of M. edulis rather than associated species, as M. edulis was considered the most important characteristic species in blue mussel beds. To develop each sensitivity assessment, the resistance and resilience of the key elements are assessed against the pressure benchmark using the available evidence gathered in this review. The benchmarks were designed to provide a ‘standard’ level of pressure against which to assess sensitivity. Blue mussel beds were highly sensitive to a few human activities: • introduction or spread of non-indigenous species (NIS); • habitat structure changes - removal of substratum (extraction); and • physical loss (to land or freshwater habitat). Physical loss of habitat and removal of substratum are particularly damaging pressures, while the sensitivity of blue mussel beds to non-indigenous species depended on the species assessed. Crepidula fornicata and Crassostrea gigas both had the potential to outcompete and replace mussel beds, so resulted in a high sensitivity assessment. Mytilus spp. populations are considered to have a strong ability to recover from environmental disturbance. A good annual recruitment may allow a bed to recovery rapidly, though this cannot always be expected due to the sporadic nature of M. edulis recruitment. Therefore, blue mussel beds were considered to have a 'Medium' resilience (recovery within 2-10 years). As a result, even where the removal or loss of proportion of a mussel bed was expected due to a pressure, a sensitivity of 'Medium' was reported. Hence, most of the sensitivities reported were 'Medium'. It was noted, however, that the recovery rates of blue mussel beds were reported to be anywhere between two years to several decades. In addition, M. edulis is considered very tolerant of a range of physical and chemical conditions. As a result, blue mussel beds were considered to be 'Not sensitive' to changes in temperature, salinity, de-oxygenation, nutrient and organic enrichment, and substratum type, at the benchmark level of pressure. The report found that no distinct differences in overall sensitivity exist between the HPI, PMF and OSPAR definitions. Individual biotopes do however have different sensitivities to pressures, and the OSPAR definition only includes blue mussel beds on sediment. These differences were determined by the position of the habitat on the shore and the sediment type. For example, the infralittoral rock biotope (A3.361) was unlikely to be exposed to pressures that affect sediments. However in the case of increased water flow, mixed sediment biotopes were considered more stable and ‘Not sensitive’ (at the benchmark level) while the remaining biotopes were likely to be affected.

Using a clearly documented, evidence-based approach to create sensitivity assessments allows the assessment basis and any subsequent decision making or management plans to be readily communicated, transparent and justifiable. The assessments can be replicated and updated where new evidence becomes available ensuring the longevity of the sensitivity assessment tool. For every pressure where sensitivity was previously assessed as a range of scores in MB0102, the assessments made by the evidence review have supported one of the MB0102 assessments. The evidence review has reduced the uncertainty around assessments previously undertaken in the MB0102 project (Tillin et al., 2010) by assigning a single sensitivity score to the pressures as opposed to a range. Finally, as blue mussel bed habitats also contribute to ecosystem function and the delivery of ecosystem services, understanding the sensitivity of these biotopes may also support assessment and management in regard to these. Whatever objective measures are applied to data to assess sensitivity, the final sensitivity assessment is indicative. The evidence, the benchmarks, the confidence in the assessments and the limitations of the process, require a sense-check by experienced marine ecologists before the outcome is used in management decisions.

A simple and robust method for connecting small-molecule drugs using gene-expression signatures

Background

Interaction of a drug or chemical with a biological system can result in a gene-expression profile or signature characteristic of the event. Using a suitably robust algorithm these signatures can potentially be used to connect molecules with similar pharmacological or toxicological properties by gene expression profile. Lamb et al first proposed the Connectivity Map [Lamb et al (2006), Science 313, 1929–1935] to make successful connections among small molecules, genes, and diseases using genomic signatures.

Results

Here we have built on the principles of the Connectivity Map to present a simpler and more robust method for the construction of reference gene-expression profiles and for the connection scoring scheme, which importantly allows the valuation of statistical significance of all the connections observed. We tested the new method with two randomly generated gene signatures and three experimentally derived gene signatures (for HDAC inhibitors, estrogens, and immunosuppressive drugs, respectively). Our testing with this method indicates that it achieves a higher level of specificity and sensitivity and so advances the original method.

Conclusion

The method presented here not only offers more principled statistical procedures for testing connections, but more importantly it provides effective safeguard against false connections at the same time achieving increased sensitivity. With its robust performance, the method has potential use in the drug development pipeline for the early recognition of pharmacological and toxicological properties in chemicals and new drug candidates, and also more broadly in other 'omics sciences.

Catchment and in-stream influences on metal concentration and ochre deposit density in upland streams, Northern Ireland

Metal concentrations from stream waters in two geological blocks in Northern Ireland were compared to determine the contributions of catchment characteristics and in-stream conditions. One block is composed of metamorphosed schist and unconsolidated glacial drift with peat or peaty podzol (mainly humic) soils, while the other block consists of tertiary basalt with brown earth and gley soils. Water samples were collected from 52 stream sites and analysed for Fe, Mn and Al as well as a range of other chemical determinands known to affect metal solubility. Densities of metal-rich ochre deposit were determined for stream bed stone samples. Higher conductivities and concentrations of bicarbonate, alkalinity, Ca and Mg occurred on basalt than on schist. Despite higher Fe and Mn oxide concentrations in basalt-derived non-humic soils, stream water concentrations were much lower and ochre deposit densities only one third of those on schist overlain by humic soils. Neither rock nor soil type predicted Al concentrations, but pH and dissolved oxygen did. Peat-generated acidity and the limited acid neutralising capacity of base-poor metamorphosed schist have resulted in elevated concentrations of metals and ochre deposit in surface waters.

Supramolecular Organization of Metal Nanoparticles in Solution and of Phenyleneethynylenes on Surfaces

Most of the procedures reported for the synthesis of metal nanoparticles involve the use of strong reducing agents or elevated temperatures. This limits the possibility of developing metal nanoparticle based sensors for the in situ detection of analytes. One of the objectives of the present investigations is to (i) develop newer methodologies for the synthesis of metal nanoparticles in aqueous medium at ambient conditions and (ii) their use in the detection of metal cations by taking advantage of the unique coordination ability. Ideally, biocompatible molecules which possess both the reducing and stabilizing groups are desirable for such applications. Formation of stable supramolecular assembly, by bringing metal nanoparticles close to each other, results in plasmon coupling and this strategy can be effectively utilized for the development of metal nanoparticle based sensors.Another objective of the present study is to understand the supramolecular organization of molecules on surfaces. Various noncovalent interactions between the molecules and with surface play a decisive role in their organizations. An in-depth understanding of these interactions is essential for device fabrications. Recent photophysical studies have revealed that phenyleneethynylene based molecular systems are ideal for device application. The second objective of the thesis focuses on understanding the (i) organization of phenyleneethynylenes on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) surface with atomic level precision and (ii) weak intermolecular interactions which drive their organization.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

A Supervisão Pedagógica geradora de dinâmicas colaborativas entre professores de Matemática e Ciências Físico- Químicas

Numa escola que se encontra em transformação no sentido de se adaptar aos contextos sociais, culturais e políticos que a rodeiam, cabe aos professores serem agentes ativos na definição do caminho a percorrer, visando o aumento da qualidade educativa a proporcionar aos nossos jovens. O questionamento inerente à reflexão sobre o percurso profissional levou à identificação da situação problema e à formulação daquela que é a questão de partida deste trabalho: Como pode a supervisão pedagógica promover a troca de experiências e o trabalho colaborativo entre os docentes de Matemática e de Ciências Físico Químicas? Para dar resposta a esta questão, elaborámos o enquadramento teórico, orientado pelas palavras-chave e com recurso a autores de referência, no qual pretendemos salientar as principais investigações que conferem suporte às temáticas subjacentes: Cultura profissional docente, Supervisão pedagógica, Gestão curricular. Como o objetivo geral do trabalho de projeto é conceber um projeto de supervisão pedagógica que promova a troca de experiências e o trabalho colaborativo entre os professores de Matemática e de Ciências Físico Químicas, a terceira parte foi estruturada com base nos princípios subjacentes à metodologia de projeto. Recolhemos opiniões através de Inquéritos por Questionário, aplicados a todos os professores dos grupos disciplinares de Matemática e de Ciências Físico-Químicas. A análise dos questionários permitiu constatar que o que é prescrito na literatura especializada não parece ser posto em prática, verificando-se incongruências entre o que deve ser feito e o que é levado a cabo na prática, o que nos leva a salientar a necessidade de formação em supervisão e mais concretamente em trabalho colaborativo. É pois tendo por base o que aqui é referido que se propõe, como plano de intervenção, a realização de uma oficina de formação que, em primeiro lugar, seria destinada aos docentes de Matemática e de Ciências Físico Químicas, devendo posteriormente ser alargada a outros grupos disciplinares e a todos os departamentos.