Begleitpersonen in der stationären Kinderrehabilitation: Bedarf für psychologische Interventionen und Evaluation eines Betreuungsmodells (am Beispiel "Triple-P-Programm")

Begleitpersonen in der stationären Kinderrehabilitation: Bedarf für psychologische Interventionen und Evaluation eines Betreuungsmodells (am Beispiel „Triple-P-Programm”) Chronisch erkrankte Kinder im Vorschulalter, die eine stationäre Reha-Maßnahme absolvieren, werden üblicherweise von einer Bezugsperson (Elternteil oder nahe Verwandte) begleitet. Da diese sog. Begleitpersonen normalerweise nicht krank sind, sind psychologische Interventionen nicht vorgesehen. Dennoch hebt der VDR in seinem Rahmenkonzept hervor, dass Eltern sowohl über die Behandlung der Erkrankung ihres Kindes als auch über konsequente Erziehung informiert werden sollten. Diese Studie untersucht, ob psychologische Interventionen für Begleitpersonen sinnvoll und effektiv sind. Sie wurde in der Fachklinik Satteldüne der DRV Nord durchgeführt. Die Kinder, die in dieser Einrichtung behandelt werden, leiden an chronischen Erkrankungen wie Asthma, atopischer Dermatitis, Allergien und Infektanfälligkeit. 134 Begleitpersonen (127 Mütter und 7 Väter) nahmen an einer quasiexperimentellen Feldstudie teil. Zu Beginn der Reha-Maßnahme (t1) füllten sie Fragebögen zu ihrer psychischen Belastung und ihrem Erziehungsverhalten sowie zu Problemverhalten ihrer Kinder aus. Vier Wochen später zum Ende der Reha-Maßnahme (t2) beurteilten die Begleitpersonen und das Reha-Team den Reha-Erfolg der Kinder. Zu t1 zeigte diese Stichprobe ein überdurchschnittliches Ausmaß an psychischer Belastung, welches bei einem Drittel der Befragten ein klinisch relevantes Ausmaß erreichte. Die psychische Belastung zu t1 korrelierte negativ mit dem Reha-Erfolg der Kinder zum Ende der Behandlung (in der Einschätzung durch Begleitpersonen und Stationsärzte). Dysfunktionales Erziehungsverhalten zeigten 20 % der Begleitpersonen. Dieses korrelierte negativ mit dem Reha-Erfolg der Kinder (in der Einschätzung durch das Pflegepersonal). Es wurden positive Korrelationen zwischen dysfunktionalem Erziehungsverhalten sowie psychischer Belastung der Begleitpersonen und Verhaltensauffälligkeiten der Kinder gefunden. Das Ausmaß der Verhaltensauffälligkeiten lag bei Kleinkindern (bis drei Jahre, n=29) im durchschnittlichen – und bei Vorschulkindern (4-7 Jahre, n=94) im überdurchschnittlichen Bereich. Es zeigte sich ein starkes Interesse der Befragten, während der Reha-Maßnahme an psychologischen Interventionen teilzunehmen. Für das Entspannungstraining interessierte sich jede zweite Begleitperson und ein Drittel der Befragten hatte Interesse die Erziehungsberatung wahrzunehmen. Dennoch nahm nur ein geringer Anteil der anfänglich Interessierten tatsächlich an diesen Interventionen teil (Entspannungstraining: 23 %, Erziehungsberatung: 16 %, psychologische Einzelgespräche: 11,4 %). Es fanden sich signifikante positive Korrelationen zwischen der Zufriedenheit der Begleitpersonen mit der Reha-Maßnahme und a) dem Ausmaß der Erfüllung der Erwartungen der Begleitperson an die Reha-Maßnahme und b) dem Reha-Erfolg des Kindes (eingeschätzt durch die Begleitperson). Zudem zeigten Begleitpersonen, deren psychische Belastung während der Reha-Maßnahme anstieg, eine geringere Zufriedenheit mit der Reha-Maßnahme als diejenigen, deren psychische Belastung sich verringerte. Darüber hinaus wurden die Effekte von verschiedenen psychologischen Betreuungsmodellen für Begleitpersonen untersucht. In einer quasiexperimentellen Studie wurden 64 Begleitpersonen (63 Mütter, 1 Vater) auf zwei Gruppen aufgeteilt. Beide Gruppen konnten auf freiwilliger Basis am Psychologischen Standardprogramm für Begleitpersonen teilnehmen (Erziehungsberatung, psychologische Einzelgespräche, Entspannungstraining). Die 32 Begleitpersonen der EG nahmen zusätzlich an einer Triple-P-Gruppenintervention teil. Zu Beginn (t1) und zum Ende der vierwöchigen Behandlung (t2) sowie sechs Monate nach der Reha-Maßnahme (t3) wurden die Merkmale psychische Belastung und Erziehungsverhalten der Begleitpersonen sowie Problemverhalten der Kinder erhoben. An der Intervention Triple-P nahmen 64 % der Begleitpersonen teil; am Psychologischen Standardprogramm nur 22,7 %. Die Ergebnisse zu t2 zeigen positive Effekte der Behandlung: beide Gruppen verbesserten ihr Erziehungsverhalten, die psychische Belastung der Begleitpersonen und Verhaltensauffälligkeiten der Kinder verringerten sich. Die Verbesserung des Erziehungsverhaltens fiel zu t2 bei der EG signifikant stärker aus als bei der KG. Die Effekte auf das Erziehungsverhalten der Eltern und auf Verhaltensauffälligkeiten der Kinder hielten ein halbes Jahr an, da sie zu t3 erneut vorgefunden wurden. Ein nachhaltiger Effekt auf die psychische Belastung der Begleitpersonen lag nicht vor. Zu t3 wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen EG und KG gefunden. Zusammenfassend betrachtet zeigt diese Studie, dass der Bedarf für psychologische Interventionen für Begleitpersonen in der stationären Kinderrehabilitation gerechtfertigt ist und eine Reduktion von psychischer Belastung und dysfunktionalem Erziehungsverhalten der Begleitperson den Reha-Erfolg des Kindes erhöhen kann. In Zukunft sind weitere Anstrengungen nötig, um die psychische Belastung von Begleitpersonen zu verringern, z.B. über eine stärkere Verpflichtung zur Teilnahme an den psychologischen Interventionen, eine bessere Verzahnung von ambulanten und stationären Interventionen und die kontinuierliche Evaluation von neuen psychologischen Interventionen.

Regional Labor Market Disparities

Regionale Arbeitsmärkte unterscheiden sich erheblich hinsichtlich wesentlicher Kennzahlen wie der Arbeitslosenquote, des Lohnniveaus oder der Beschäftigungsentwicklung. Wegen ihrer Persistenz sind diese Unterschiede von hoher Relevanz für die Politik. Die wirtschaftswissenschaftliche Literatur liefert bereits theoretische Modelle für die Analyse regionaler Arbeitsmärkte. In der Regel sind diese Modelle aber nicht dazu geeignet, regionale Arbeitsmarktunterschiede endogen zu erklären. Das bedeutet, dass sich die Unterschiede regionaler Arbeitsmärkte in der Regel nicht aus den Modellzusammenhängen selbst ergeben, sondern „von außen“ eingebracht werden müssen. Die empirische Literatur liefert Hinweise, dass die Unterschiede zwischen regionalen Arbeitsmärkten auf die Höhe der regionalen Arbeitsnachfrage zurückzuführen sind. Die Arbeitsnachfrage wiederum leitet sich aus den Gütermärkten ab: Es hängt von der Entwicklung der regionalen Gütermärkte ab, wie viele Arbeitskräfte benötigt werden. Daraus folgt, dass die Ursachen für Unterschiede regionaler Arbeitsmärkte in den Unterschieden zwischen den regionalen Gütermärkten zu suchen sind. Letztere werden durch die Literatur zur Neuen Ökonomischen Geographie (NÖG) untersucht. Die Literatur zur NÖG erklärt Unterschiede regionaler Gütermärkte, indem sie zentripetale und zentrifugale Kräfte gegenüberstellt. Zentripetale Kräfte sind solche, welche hin zur Agglomeration ökonomischer Aktivität wirken. Im Zentrum dieser Diskussion steht vor allem das Marktpotenzial: Unternehmen siedeln sich bevorzugt an solchen Standorten an, welche nahe an großen Märkten liegen. Erwerbspersonen wiederum bevorzugen solche Regionen, welche ihnen entsprechende Erwerbsaussichten bieten. Beides zusammen bildet einen sich selbst verstärkenden Prozess, der zur Agglomeration ökonomischer Aktivität führt. Dem stehen jedoch zentrifugale Kräfte gegenüber, welche eine gleichmäßigere Verteilung ökonomischer Aktivität bewirken. Diese entstehen beispielsweise durch immobile Produktionsfaktoren oder Ballungskosten wie etwa Umweltverschmutzung, Staus oder hohe Mietpreise. Sind die zentripetalen Kräfte hinreichend stark, so bilden sich Zentren heraus, in denen sich die ökonomische Aktivität konzentriert, während die Peripherie ausdünnt. In welchem Ausmaß dies geschieht, hängt von dem Verhältnis beider Kräfte ab. Üblicherweise konzentriert sich die Literatur zur NÖG auf Unterschiede zwischen regionalen Gütermärkten und geht von der Annahme perfekter Arbeitsmärkte ohne Arbeitslosigkeit aus. Die Entstehung und Persistenz regionaler Arbeitsmarktunterschiede kann die NÖG daher üblicherweise nicht erklären. An dieser Stelle setzt die Dissertation an. Sie erweitert die NÖG um Friktionen auf dem Arbeitsmarkt, um die Entstehung und Persistenz regionaler Arbeitsmarktunterschiede zu erklären. Sie greift dazu auf eine empirische Regelmäßigkeit zurück: Zahlreiche Studien belegen einen negativen Zusammenhang zwischen Lohn und Arbeitslosigkeit. In Regionen, in denen die Arbeitslosigkeit hoch ist, ist das Lohnniveau gering und umgekehrt. Dieser Zusammenhang wird als Lohnkurve bezeichnet. Auf regionaler Ebene lässt sich die Lohnkurve mithilfe der Effizienzlohntheorie erklären, die als theoretische Grundlage in der Dissertation Anwendung findet. Konzentriert sich nun die ökonomische Aktivität aufgrund der zentripetalen Kräfte in einer Region, so ist in diesem Zentrum die Arbeitsnachfrage höher. Damit befindet sich das Zentrum auf einer günstigen Position der Lohnkurve mit geringer Arbeitslosigkeit und hohem Lohnniveau. Umgekehrt findet sich die Peripherie auf einer ungünstigen Position mit hoher Arbeitslosigkeit und geringem Lohnniveau wieder. Allerdings kann sich die Lohnkurve in Abhängigkeit des Agglomerationsgrades verschieben. Das komplexe Zusammenspiel der endogenen Agglomeration mit den Arbeitsmarktfriktionen kann dann unterschiedliche Muster regionaler Arbeitsmarktdisparitäten hervorrufen. Die Dissertation zeigt auf, wie im Zusammenspiel der NÖG mit Effizienzlöhnen regionale Arbeitsmarktdisparitäten hervorgerufen werden. Es werden theoretische Modelle formuliert, die diese Interaktionen erklären und welche die bestehende Literatur durch spezifische Beiträge erweitern. Darüber hinaus werden die zentralen Argumente der Theorie einem empirischen Test unterworfen. Es kann gezeigt werden, dass das zentrale Argument – der positive Effekt des Marktpotentials auf die Arbeitsnachfrage – relevant ist. Außerdem werden Politikimplikationen abgeleitet und der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt.

Controlling und RFID - konzeptionelle Grundlagen, Nutzenpotenziale und empirische Analyse drahtloser Funkchips im Rahmen der Managementunterstützung

Die bereits seit einigen Jahren stark in der wissenschaftlichen Literatur diskutierte RFID-Technologie ermöglicht es, Informationen (echt-)zeitnah, detailliert und mit einer höheren Objektivität bereitzustellen. Der Fokus vieler Arbeiten lag dabei vor allem auf RFID-spezifischen Einsatzmöglichkeiten in den Bereichen des Supply Chain- und des Customer Relationship Managements. Aber auch für ein modernes Controlling bzw. für die Managementunterstützung sind Innovationen in der Informationstechnik – hier die Besonderheiten und Eigenschaften von RFID-Daten – von sehr hoher Bedeutung. Dieses Forschungsfeld hat bisher jedoch kaum Beachtung gefunden. Mit der vorliegenden Dissertationsschrift wird versucht, diese Forschungslücke sowohl konzeptionell als auch empirisch zu schließen. Sie gliedert sich zu diesem Zweck in vier Kapitel. Nach einer Einleitung werden im zweiten Kapitel die konzeptionellen Grundlagen geschaffen. Dazu werden verschiedene Controllingkonzeptionen vorgestellt und anhand ausgewählter Kriterien dahingehend überprüft, ob diese dazu geeignet sind, die RFID-Nutzenpotenziale im Controlling darzustellen. Der kontributionsorientierte Ansatz nach Link erweist sich hierbei als zweckmäßiger Controllingansatz. Im zweiten Grundlagenkapitel werden u. a. die Funktionsweise sowie verschiedene Vorteile der RFID-Technologie vorgestellt. Im Hauptkapitel wird zunächst der Stand der Controllingforschung in Bezug auf RFID sowie dessen Einordnung in das Controlling gezeigt. Im Anschluss daran folgt die Arbeit dem systematischen Aufbau des kontributionsorientierten Ansatzes wie folgt: - Harmonisation: RFID auf der Ebene der Unternehmensleitung - Harmonisationsunterstützung: RFID auf der Ebene des Controlling • RFID-Einfluss auf das Zielsystem: Sachziele, Formalziele und Sozialziele • RFID und Vorsteuerung • Der RFID-Beitrag zur Umsetzung der Controllingprinzipien: Entscheidungsfundierung, Koordinationsentlastung und Entscheidungsreflexion Da mit dem RFID-Beitrag zur Vorsteuerung die „Kernleistung“ eines modernen Controlling behandelt wurde, besitzt dieser Punkt eine besonders hohe Relevanz. Den Abschluss der Dissertationsschrift bildet eine empirische Untersuchung (Kapitel vier) zum Status Quo der Nutzung von RFID-Daten bzw. -Informationen im Controlling. Darüber hinaus wurden mögliche Problemfelder der RFID-Nutzung im Controlling respektive der Managementunterstützung offengelegt. Die Diskrepanz zwischen den im theoretischen Teil der Arbeit herausgearbeiteten vielfältigen Nutzenpotenzialen von RFID im Controlling und der tatsächlichen Nutzung von RFID-Daten im Controlling deutscher Unternehmen ist dabei ein wesentliches Ergebnis. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und einem Ausblick auf den weiteren Forschungsbedarf (Kapitel fünf) ab.

Nutrition in Kindergartens of Kosovo

Einer physiologisch angemessenen Ernährung in der Kindheit wird eine wichtige Rolle in der physischen, mentalen und emotionalen Entwicklung vom Kindes- bis zum späteren Erwachsenenalter zugeschrieben. Obwohl es bisher nur wenige Daten zum Gesundheits- und Ernährungsstatus im Kosovo gibt, zeigen diese Studien aus der Zeit vor und nach dem Kosovokrieg, dass Unterernährung und der Mangel einiger wichtiger Mikronährstoffe bei Kindern im Vorschulalter vorherrschen. Deshalb ist es erforderlich, die Daten von Kindern im Vorschulalter zu erfassen und zu untersuchen, was zum einen durch anthropometrische Parameter als auch durch die Analyse des Nährstoffgehaltes der Mahlzeiten in Kindergärten (Häufigkeit der Mahlzeiten, adäquate Mengen an z.B. Obst und Gemüse, etc.) in dieser Arbeit erfolgt. Diese wissenschaftliche Untersuchung stellt fest, dass das Wachstum der Vorschulkinder und die angebotene Lebensmittelvielfalt ebenso wie die Nähr- und Energiewerte der dargebotenen Mahlzeiten in Kindergärten im Kosovo nur teilweise den internationalen Ernährungsempfehlungen für diese Altersstufe genügen. Der Anteil an untergewichtigen Kindern wird mit 0,7% ermittelt, während 0,5% stark untergewichtig sind. 1,9% der Kinder leiden unter moderater und 0,8% der Kinder leiden unter schwerer akuter Unterernährung. Der Gewicht/Größe Indikator (12-24 Monate alter Kinder) zeigt, dass keine Kinder als adipös einzustufen sind, während 6,8% übergewichtig sind und 34,1% ein mögliches Risiko für Übergewicht zeigen. Die Verteilung der Geschlechter spielt bei Adipositas keine Rolle, da weder Jungen noch Mädchen adipös sind. Jedoch sind 7,4% der Jungen und 5,9% der Mädchen übergewichtig und 29,6% der Jungen und 41,2% der Mädchen zeigen ein mögliches Risiko für Übergewicht. Der BMI Indikator (24-83 Monate alte Kinder) zeigt, dass der Anteil der adipösen Kinder bei 2,3% liegt, während 8,94% übergewichtig sind und 27,3% ein Risiko für mögliches Übergewicht aufweisen. Was das Geschlecht anbelangt, sind 2,68% der Jungen und 1,44% der Mädchen adipös, 10,88% der Jungen und 5,86% der Mädchen sind übergewichtig und 29,12% der Jungen sowie 25,16% der Mädchen zeigen die Tendenz zu einem möglichen Übergewicht. Die durchschnittliche Energieaufnahme (ganztags – 8 Stunden) reicht von 455 kcal im Kindergarten 4 bis hin zu 992 kcal im Kindergarten 1, was 36% und 79% der empfohlenen Tageszufuhr ausmacht. Der durchschnittliche Verzehr von Proteinen/Aminosäuren der Kinder aus allen untersuchten Kindergärten erweist sich als höher als erforderlich für diese Altersstufe. Trotz der durchschnittlichen Aufnahme von 27% der absoluten Fettmenge beträgt der durchschnittliche Anteil der Energie von SFA, MUFA und PUFA nicht mehr als 35% der empfohlenen Menge. Der Gesamtballaststoffaufnahme (ganztags – 8 Stunden) liegt zwischen 2,3 Gramm und 8,1 Gramm, was 30% und 46% der empfohlenen Tageszufuhr ausmacht. Die Aufnahme von Kalzium, Eisen und besonders Jod liegt unter den Empfehlungen, während die Aufnahme von Chlorid und Natrium wesentlich höher ist als die empfohlene tägliche Menge. Die Aufnahme von Folsäure ist in öffentlichen Kindergärten (ganztags – 8 Stunden) relativ gering und deckt lediglich 23% der empfohlenen Tageszufuhr. Die tägliche Vitamin C Aufnahme der Kinder aus öffentlichen Kindergärten ist ziemlich gering und deckt 23% und 28% der empfohlenen Tageszufuhr. Die Ernährung im Kindergarten zeigt Defizite in der Aufnahme von Mikronährstoffen, besonders von Kalzium, Eisen, Jod, Folsäure, Vitamin A, Vitamin C in öffentlichen Kindergärten und Vitamin D. Die überschrittene Aufnahme von Chlorid und Natrium konnte in allen Kindern beobachtet werden, unabhängig von Geschlecht, Alter und dem Kindergarten. Im Kindergarten konsumieren Kinder mehr Lebensmittel mit einer höheren Energiedichte und werden nicht dazu ermutigt, abwechslungsreichere und gesündere Lebensmittel zu wählen. Verarbeitete und raffinierte Lebensmittel werden von Vorschulkindern bereits ab dem ersten Lebensjahr konsumiert. Der Anteil der Kinder, welche ihre Mahlzeiten auslassen beträgt 12,9%, während 30,2% manchmal ihre Mahlzeiten auslassen. Das Ernährungsmuster zeigt geringe Werte für Vollkornprodukte, Früchte und Gemüse, jedoch hohe Werte für Softdrinks, süße und salzige Lebensmittel. Die Aufnahme von Obst und Gemüse der Vorschulkinder ist viel geringer als die täglich empfohlene Portionsmenge. Die Eltern werden nicht angeleitet, Vorschulkindern bei der Schaffung gesunder Ernährungsgewohnheiten zu helfen, demzufolge ist das kindliche Essverhalten und die Ernährungspraxis von den Eltern und ihrem eigenen Ernährungsstil beeinflusst. Nach dieser Studie muss festgestellt werden, dass gesunde Ernährungsmuster bei Vorschulkindern im Kosovo nicht etabliert sind. Im Vergleich zu den bereits durchgeführten Untersuchungen zeigt diese Studie, dass sich im Kosovo eine Ernährungswende andeutet: das Untergewicht im Vorschulalter nimmt leicht ab, jedoch steigt die Prävalenz von Übergewicht und Adipositas. Der beobachtete Anstieg von Übergewicht und Adipositas ist wahrscheinlich eine Konsequenz des rapiden Wandels des Ernährungsverhaltens nach dem Kosovokrieg. Das Land hat bis jetzt noch keine nationalen und lokalen Strategien oder Programme entwickelt, welche die Routineuntersuchungen von Kindern regulieren, um eventuelle negative Trends zu verfolgen und umzukehren. Zur Zeit gibt es keine Ernährungsrichtlinien und nur sehr wenig Beratung für die Menügestaltung in Kindergärten im Kosovo. Als erster Schritt wird empfohlen, dass die Gesellschaft und die Institutionen im Kosovo die Probleme der Unterernährung, des Übergewichts und der Adipositas sowie deren negativen Auswirkungen auf den gesamten Gesundheitsstatus verschiedener Bevölkerungsgruppen, insbesondere der Kinder, anerkennen. Gesundes Wachstum und die Kontrolle der Unterernährung und des Übergewichts im Kindesalter sollte alle Stufen der Gesellschaft einbeziehen. Gesundheits- und Bildungsbehörden im Kosovo sollten nationale Programme zur empfohlenen täglichen Aufnahme und zu Ernährungsrichtlinien für Kinder im Vorschulalter entwickeln. Die Richtlinien sollten Empfehlungen bezüglich Energie, Makro- und Mikronährstoffe in der täglichen Ernährung Auskunft erteilen aber auch über Ernährungsstile und – verhalten sowie das Strukturieren von Mahlzeiten für Vorschulkinder und andere Bevölkerungsgruppen informieren. Die beobachteten Defizite im Bereich der Mikronährstoffaufnahme wie zum Beispiel von Kalzium, Eisen, Jod, Folsäure, Vitamin A, Vitamin C, Vitamin D ebenso wie die zu hohe Aufnahme und Chlorid und Natrium in öffentlichen Kindergärten sollten sofort angesprochen werden. Erzieher in Kindergärten sollten eine Weiterbildung im Bereich der Entwicklung des Ernährungsverhalten bei Vorschulkindern erhalten und die Definitionen von Unterernährung und Übergewicht und deren Prävention kennen. Partnerschaften zwischen Kindergärten und Eltern sind erforderlich, um den Kindern eine gesündere Lebensmittelwahl zu ermöglichen. Kinder im Vorschulalter und auch Kinder anderer Altersgruppen sollten ermutigt werden, ihren Verzehr an Früchten, Gemüse, Vollkornbrot und –getreide sowie ungesättigten Fettsäuren zu steigern und somit mehr pflanzliche Produkte wie Gemüse und Obst zu ihren Gerichten hinzuzufügen. Dies würde auch den Gehalt an Ballaststoffen erhöhen, der in der Kindheit sehr wichtig ist. Es wird empfohlen, verarbeitete Lebensmittel so häufig wie möglich zu vermeiden und unverarbeitete oder minimal verarbeitete Lebensmittel zu bevorzugen. Es ist erforderlich, ein Ernährungssystem zu entwickeln und außerdem die internationalen Wachstumsstandards (WHO oder andere) anzuwenden, welche das Beobachten des Ernährungsstatus‘ bei Kindern durch Routineuntersuchungen regeln, damit eventuelle Negativtrends verfolgt und umgekehrt werden können. Die Entwicklung universitärer Bildungsprogramme mit Bezug auf Ernährung und die Einführung eines Faches zur gesunden Ernährung und zu gesunden Lebensstilen in die Curricula der Bildungsinstitutionen im Kosovo werden empfohlen. Weitere Untersuchungen zum Gesundheitsstatus und zur Ernährungsqualität bei Vorschulkindern würden zusätzliche Einblicke in die der Auswirkung der frühen Lebensjahre auf Beziehung von Kindheitsernährung und Krankheiten gewähren. Die Untersuchung von Gesundheitsrisiken gekoppelt mit ungesunden Ernährungsgewohnheiten bei Vorschulkindern wird empfohlen. Weitere Studien sind nötig, um die Nahrungszufuhr im Kindergarten zu untersuchen, jedoch sollten Vorschulkinder, welche keinen Kindergarten besuchen, ebenfalls mit eingeschlossen werden. Außerdem sind Studien erforderlich, welche die Auswirkungen des steigenden Konsums gesüßter Getränke und anderer Lebensmittel auf Übergewicht und Adipositas untersuchen. Ferner werden Studien empfohlen, um den Gesundheitseffekt der Ernährungsmuster in der Kindheit zu identifizieren. Außerdem sind periodische Studien erforderlich, um die Veränderung der Prävalenz von Übergewicht und Adipositas bei Kindern zukünftig zu vergleichen. Risikofaktoren für Adipositas bei Kindern durch periodische Studien zu identifizieren ist ebenfalls erforderlich, um die Prävalenz der Adipositas bei Kindern in den künftigen Jahren zu vergleichen.

Untersuchungen zur Dynamik des Lipid-Metabolismus von Dictyostelium discoideum

Die soziale Waldamöbe Dictystelium discoideum ist ein etablierter Modellorganismus zur Erforschung grundlegender zellbiologischer Prozesse. Innerhalb der letzten Jahre konnte dabei insbesondere das Wissen zum Lipidmetabolismus umfassend erweitert werden. In diesem Zusammenhang spielt besonders eine Enzymgruppe eine wichtige Rolle: die LC/VLC-Acyl-CoA-Synthetasen. Diese übernehmen dabei die Aufgabe Fettsäuren zu aktivieren, um sie so dem Zellmetabolismus überhaupt erst zugänglich zu machen. D. discoideum verfügt über insgesamt vier dieser Enzyme: FcsA, FcsB, FcsC und das Bubblegum-Enzym Acsbg1. Während die FcsA und FcsB bereits in vorangegangenen Arbeiten untersucht wurden, werden die FcsC und die Acsbg1 in dieser Arbeit erstmals biologisch charakterisiert. Untersuchungen zur subzellulären Lokalisation der Proteine zeigen, dass die meisten LC/VLC-Acyl-CoA-Synthetase auf Endosomen und im Cytoplasma gefunden werden können (FcsA, FcsC und Acsbg1), während die FcsB als Transmembranprotein über das ER zu den Peroxisomen transportiert wird. Die Acsbg1 akkumuliert dabei zusätzlich an der Plasmamembran. Funktionell konnte gezeigt werden, dass neben der FcsA auch die Acsbg1 an der Bereitstellung von Acyl-CoA für Triacylglyceridsynthese beteiligt ist. Dabei besitzt die FcsA die Hauptenzymaktivität und kompensiert den Verlust der Acsbg1 in acsbg1- Zellen. In fcsA-/acsbg1- Zellen dagegen kommt der Verlust der Acsbg1 durch eine zusätzliche Verringerung des TAG-Gehaltes der Doppel-KOs im Vergleich zu fcsA- Zellen zum tragen. Alle vier Enzyme beeinflussen die Phagozytose. Dabei zeigen fcsA- und fcsC- Zellen eine gesteigerte Phagozytose in Gegenwart von der gesättigten Fettsäure Palmitinsäure im Kulturmedium. Auch der knockout der Acsbg1 wirkt sich positiv auf die Phagozytoserate aus, jedoch kommt auch nur dieser zum tragen, wenn neben der Acsbg1 auch die FcsA ausgeschaltet wird. Die FcsB dagegen zeigt eine dramatische Reduktion der Partikelaufnahme in nicht Fettsäure gefütterten Zellen. Durch die Zugabe einer exogenen Fettsäure kann dieser Effekt nicht kompensiert werden. Auch der zusätzliche Verlust der FcsA-Enzymaktivität verändert dieses Verhalten in Palmitinsäure inkubierten Zellen nicht. In fcsA-/fcsB- konnte zudem ein Defekt beim Abbau von Triacylglyceriden gefunden werden. Dieser Defekt liefert erste Hinweise für ein Modell, das den Abbau von LD gespeicherten Lipiden durch Autophagozytose in D. discoideum beschreibt. Peroxisomen sind wichtige Organellen für die Detoxifikation und die Oxidation von Fettsäuren. Durch das Ausschalten der Acaa1, der Thiolase, die den letzten Schritt der β-Oxidation in Peroxisomen katalysiert, zeigte sich ein verlangsamter Triacylglycerol-Abbau sowie eine verringerte Degradation des Etherlipids UKL und von Sterolestern, was auf eine Beteiligung der Peroxisomen beim Abbau von langkettigen Fettsäuren schließen lässt. Bei dem Versuch durch das Ausschalten des pex19-Gens eine Zelllinie zu generieren, die keine Peroxisomen besitzt, wurde die Organelle überraschender Weise, wenn auch mit einer vom Wildtyp abweichenden Morphologie, weiterhin vorgefunden. Dieser Befund korrelierte mit dem Resultat, dass trotzdem das pex19-Gen erfolgreich unterbrochen wurde, dennoch eine intakte Kopie des Gens nachgewiesen werden konnte. Dementsprechend sollte die erschaffene pex19- Zelllinie als knockdown und nicht als knockout gewertet werden. Der pex19 knockdown zeigte beim Abbau von Triacylglyceriden eine ähnliche Verlangsamung wie acaa1- Zellen. Zusätzlich wurde eine Verringerung der Synthese des Etherlipids UKL beobachtet, was darauf hindeutet, dass dieses Lipid im Peroxisom gebildet wird. Auch die Phagozytose und das Wachstum auf Bakterienrasen waren im pex19 knockdown dramatisch reduziert. Durch die Überexpression von Pex19-GFP im knockdown Hintergrund konnten die physiologischen Defekte in den meisten so generierten Zelllinien ausgeglichen werden. Lipid Droplets sind Organellen, die in Eukaryoten und Prokaryoten als Speicher für Neutralfette dienen und ebenfalls als Ort der Lipidsynthese fungieren. Um diese Aufgaben erfüllen zu können, besitzen sie auf ihrer Oberfläche Proteine, die für die Regulierung dieser Prozesse notwendig sind. Durch die weiterführende Analyse von Kandidatenproteinen, die durch eine proteomische Analyse von aufgereinigten LDs identifiziert wurden, konnte für vier weitere Proteine (Plsc1, Net4, Lip5 und Nsdhl) die LD-Assoziation durch GFP-Fusionsproteine bestätigt werden. Bei der Charakterisierung von plsc1 knockouts zeigte sich eine verminderte Fähigkeit beim Wachstum auf Bakterienrasen sowie eine erhöhte Phagozytoserate in Gegenwart einer exogenen Fettsäure, was auf eine Involvierung des Proteins in die Phospholipidsynthese hindeutet. Die bisher einzige identifizierte LD-assoziierte Lipase Lip5 nimmt nur eine untergeordnete Rolle bei der Hydrolyse von Triacylglycerolen und Sterolestern ein, da in KO-Mutanten nur ein milder Defekt beim Abbau beider Substanzen beobachtet werden konnte. Die LD-Lokalisation von Net4 ist evolutionär konserviert und kann nicht nur in D. discoideum beobachtet werden, sondern auch in humanen Zellen. Welche Funktion das Protein auf der LD-Oberfläche ausübt, konnte nicht geklärt werden. Allerdings kann ein direkter Einfluss auf den TAG- und Sterolaufbau ausgeschlossen werden. LDs stehen in engem Kontakt mit anderen Organellen, die in den Lipidmetabolismus involviert sind, wie mit den Mitochondrien oder dem ER. Durch Perilipin-Hybridproteine können künstliche, stabile Verbindungen zwischen LDs und diesen Organellen hergestellt werden. Dabei zeigte Perilipin ein sehr starkes Targeting-Potenzial, durch welches es notwendig war, als zweite Hybridhälfte ein Transmembranprotein zu wählen. Die Analyse eines Hybrids, das eine dauerhafte Verbindung von LDs und dem ER herstellt, wies dabeieine Reduktion der LD-Größe auf, wobei der Gesamt-TAG-Gehalt der Zellen unbeeinflusst blieb. Durch die starke Affinität von Perilipin für die Assoziation an LDs konnten durch die Generierung von Hybriden andere Proteine an die LD-Oberfläche dirigiert werden. Auf diese Weise konnte erfolgreich die LC-Acyl-CoA-Synthetase FcsA auf das LD transplantiert werden.

Understanding Recreational Services of Urban Riverfront Space for Planning Purposes

In the process of urbanization, natural and semi-natural landscapes are increasingly cherished as open space and recreational resource. Urban rivers are part of this kind of resource and thus play an important role in managing urban resilience and health. Employing the example of Tianjin, this doctoral dissertation research aims at learning to understand how to plan and design for the interface zones between urban water courses and for the land areas adjacent to such water courses. This research also aims at learning how to link waterfront space with other urban space in order to make a recreational space system for the benefit of people. Five questions of this dissertation are: 1) what is the role of rivers in spatial and open space planning? 2) What are the human needs regarding outdoor open space? 3) How do river and water front spatial structures affect people's recreational activities? 4) How to define the recreational service of urban river and waterfront open space? 5) How might answering these question change planning and design of urban open space? Quantitative and qualitative empirical approaches were combined in this study for which literature review and theoretical explorations provide the basis. Empirical investigations were conducted in the city of Tianjin. The quantitative approach includes conducting 267 quantitative interviews, and the qualitative approach includes carrying out field observations and mappings. GIS served to support analysis and visualization of empirical information that was generated through this study. By responding to the five research questions, findings and lessons include the following: 1) In the course of time rivers have gained importance in all levels and scales of spatial planning and decision making. Regarding the development of ecological networks, mainly at national scale, rivers are considered significant linear elements. Regarding regional and comprehensive development, river basins and watersheds are often considered as the structural link for strategic ecological, economic, social and recreational planning. For purposes of urban planning, particularly regarding recreational services in cities, the distribution of urban open spaces often follows the structure of river systems. 2) For the purpose of classifying human recreational needs that relate to outdoor open space Maslow's hierarchy of human needs serves as theoretical basis. The classes include geographical, safety, physiological, social and aesthetic need. These classes serve as references while analyzing river and waterfront open space and other kinds of open space. 3) Regarding the question how river and waterfront spatial structures might affect people's recreational activities, eight different landscape units were identified and compared in the case study area. Considering the thermal conditions of Tianjin, one of these landscape units was identified as affording the optimal spatial arrangement which mostly meets recreational needs. The size and the shape of open space, and the plants present in an open space have been observed as being most relevant regarding recreational activities. 4) Regarding the recreational service of urban river and waterfront open space the results of this research suggest that the recreational service is felt less intensively as the distances between water 183 front and open space user’s places of residence are increasing. As a method for estimating this ‘Service Distance Effect’ the following formula may be used: Y = a*ebx. In this equation Y means the ‘Service Distance’ between homes and open space, and X means the percentage of the people who live within this service distance. Coefficient "a" represents the distance of the residential area nearest to the water front. The coefficient "b" is a comprehensive capability index that refers to the size of the available and suitable recreational area. 5) Answers found to the questions above have implications for the planning and design of urban open space. The results from the quantitative study of recreational services of waterfront open space were applied to the assessment of river-based open space systems. It is recommended that such assessments might be done employing the network analysis function available with any GIS. In addition, several practical planning and designing suggestions are made that would help remedy any insufficient base for satisfying recreational needs. The understanding of recreational need is considered helpful for the proposing planning and designing ideas and for the changing of urban landscapes. In the course of time Tianjin's urban water system has shrunk considerably. At the same time rivers and water courses have shaped Tianjin's urban structure in noticeable ways. In the process of urbanization water has become increasingly important to the citizens and their everyday recreations. Much needs to be changed in order to improve recreational opportunities and to better provide for a livable city, most importantly when considering the increasing number of old people. Suggestions made that are based on results of this study, might be implemented in Tianjin. They are 1) to promote the quality of the waterfront open space and to make all linear waterfront area accessible recreational spaces. Then, 2), it is advisable to advocate the concept of green streets and to combine green streets with river open space in order to form an everyday recreational network. And 3) any sound urban everyday recreational service made cannot rely on only urban rivers; the whole urban structure needs to be improved, including adding small open space and optimize the form of urban communities, finally producing a multi-functional urban recreational network.

Organische Magnetooptoelektronik

Im Rahmen der Organischen Optoelektronik wird der Weg vom Molekül zum Bauteil als Wertschöpfungskette verstanden, deren Kernziele wissenschaftlicher Erkenntnisfortschritt und Produktanwendungen sind. Eine besonders vielversprechende Möglichkeit diese Entwicklung auch in Zukunft erfolgreich und innovativ fortführen zu können, eröffnet sich durch das Einbeziehen magnetosensitiver Prozesse. Spinzustände werden als zusätzliche Regelgröße verstanden, die es erlauben, optoelektronische Abläufe zu optimieren und neuartige Funktionen zu generieren. Dieses Konzept integriert die Vorteile sowie das Potential der Spintronik in die Organische Optoelektronik und hat sich zu einem zukunftsweisenden, neuartigen Forschungsfeld entwickelt. Es wird als Organische Magnetooptoelektronik bezeichnet und beschäftigt sich mit der Wirkung magnetischer Felder auf optisch und elektronisch anregbare Zustände in organischen Halbleitern. Mit den durchgeführten Forschungsaktivitäten ist es gelungen, Organische Feldeffekt-Transistoren (OFETs) als neuartige Plattform zur Untersuchung magnetooptoelektronischer Phänomene in niedermolekularen Halbleitern zu etablieren. Der gezielte Einsatz geeigneter Funktionsmaterialien ermöglicht die Herstellung magnetoresistiver 3-Kontakt-Bauteile, die das Wissenschaftsfeld des Organischen Magnetowiderstands entscheidend erweitern und dessen Anwendungsspektrum vergrößern. Dabei offenbaren OFETs auf Basis der Lochtransportmaterialien Pentacen und TIPS-Pentacen unter Belichtung magnetosensitives Verhalten, das erlaubt den Organischen Magnetowiderstand optisch ein- und auszuschalten. Auch ohne zusätzliche Belichtung können Magnetfeldeffekte erzielt werden, wenn spezielle Donor- und Akzeptor-Komponenten eingesetzt werden. Aus der ionisierenden Wechselwirkung zwischen Spiro-TTB (Elektronendonor) und HAT-CN (Elektronenakzeptor) resultiert eine so ausgeprägte Magnetosensitivität, dass bereits ultrakleine Magnetfelder den Ladungstransport signifikant beeinflussen. Zudem ist das magnetoresistive Verhalten empfindlich von den Spannungsbedingungen abhängig und das MR-Vorzeichen kann durch die Drainspannung umgepolt werden. Donor- und Akzeptor-Syteme mit nichtionisierender Wechselwirkung erweisen sich ebenfalls als geeignet für die Herstellung magnooptoelektronisch aktiver Bauteile. Sowohl in Spiro-DPPFPy als auch in Spiro-TAD/Spiro-PFPy OFETs zeigen sich im Dunkeln positiver und unter Belichtung negativer Magnetowiderstand. Diese gegensätzlichen MR-Komponenten lassen sich mit der Belichtungsintensität sowie der Magnetfeldstärke systematisch modulieren und es ist das magnetooptoelektronische Schalten des MR-Vorzeichens möglich. Unterschiedliche MR-Komponenten treten auch in ambipolaren Spiro-DPASP-tBu-Phenyl OFETs auf. Deren Drainstrom lässt sich in lochdominierte, elektronendominierte sowie ambipolare Bereiche gliedern, wobei bei unipolarem Ladungstransport positiver und bei ambipolarem negativer Magnetowiderstand vorherrscht. Mit der Betriebsspannung kann zwischen den jeweiligen Transportbereichen und damit dem MR-Vorzeichen geschaltet werden. All diese Facetten des Organischen Magnetowiderstands sind nicht nur Ausdruck des weitreichenden physikalischen Hintergrunds, sondern eröffnen eine vielversprechende Perspektive zur Realisierung multifunktionaler, magnetooptoelektronischer 3-Kontakt-Bauteile auf Basis organischer Halbleiter. Neben dem Nachweis neuartiger magnetoresistiver Phänomene in Organischen Feldeffekt-Transistoren beinhaltet dieses Forschungsprojekt das Ziel, zur Entschlüsselung der zugrundeliegenden Elementarprozesse beizutragen. Dabei ergibt sich folgendes Resümee für die Interpretation der erzielten Magnetfeldeffekte: Unter unipolaren Transportbedingungen wird der Magnetowiderstand durch spinsensitive Bipolaronenbildung versursacht. Im Rahmen dieser Arbeit tragen Bipolaronen signifikant zum Drainstrom bei, wenn im Leitungskanal Gegenladungen vorhanden sind oder dieser aus chemischen Einheiten mit hoher Elektronenaffinitätsdifferenz aufgebaut ist. Weitere MR-Komponenten werden erschlossen, wenn im Transportvolumen simultan positive und negative Ladungsträger vorhanden sind. Deren Interaktion resultiert in Elektron-Loch Paaren, die über ein magnetosensitives Reaktionsverhalten verfügen. Sie werden entweder über Belichtung der OFET-Struktur erzeugt oder bilden sich während des ambipolaren Ladungstransports.

Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Energieberatungsbericht zum Gebäude D, Hochschule RheinMain, Wiesbaden

Im Rahmen des vom Hessischen Ministerium der Finanzen geförderten Forschungsprojektes „Bausteine für die CO2-Neutralität im Liegenschaftsbestand hessischer Hochschulen“ wird die neu entwickelte Teilenergiekennwertmethode, kurz TEK - an dem Universitätsgebäude D der Hochschule RheinMain Wiesbaden (1993) in dem Kurt-Schumacher-Ring 18, 65197 Wiesbaden, angewandt. Das Gebäude wird als Labor- und Bürogebäude genutzt und besitzt zusätzlich einen Hörsaal und mehrere Seminarräume. Die Außenfassade besteht größtenteils aus dunkler Eternit-Verkleidung in Kombination mit einer stark geneigten und abgestuften Fassade. Die aus den Analysen gewonnenen Gebäude- und Anlagendaten dienen als Datengrundlage für eine Querschnittsanalyse zum Nichtwohngebäudebestand. Der folgende Kurzbericht umfasst: • Eine kurze Beschreibung des Projektes und des Gebäudes, • die Bewertung des Ist-Zustands des Gebäudes, • die Angabe von Modernisierungsmaßnahmen unter Nennung der Energieeinsparung, der Grobkosten und der sich hieraus ergebenden Wirtschaftlichkeit, • einen Anhang mit ausführlichen Informationen zur Gebäudeanalyse. Der Primärenergiebedarf des Objektes wurde mit 323 kWh/(m²a) unter Berücksichtigung der vorhandenen Nutzung als „mittel“ eingestuft. Im Zuge einer möglichen nötigen Erneuerung der Fenster wird empfohlen dreifachverglaste Fenster mit hochwertigem Rahmen zu verwenden, um die einzige Schwachstelle der Gebäudehülle zu sanieren. Das wirtschaftlichste Einsparpotential liegt in der Modernisierung der Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, wodurch die Luftwechselrate deutlich reduziert werden kann und somit neben eine Stromersparnis auch der Wärmebedarf zurückgeht. Zusätzlich kann eine Senkung des Stromverbrauchs durch den Einsatz moderner Beleuchtungstechnik mit Präsenzmeldern geschaffen werden. Bei Berücksichtigung aller Maßnahmen zeigt sich eine mögliche jährliche Einsparung von 55.000 Euro bezogen auf die Gesamtkosten. Der ökologische Vergleich zeigt eine Minderung der absoluten CO2-Emissionen um knapp 260 Tonnen pro Jahr.

Experimental and CFD study on low temperature drying of loose and compressed bulks

Die Trocknung ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren, um die Haltbarkeit von landwirtschaftlichen Gütern zu verlängern. Von den vielen gebräuchlichen Trocknungsarten ist die Konvektionstrocknung, die Luft als Energie- und Feuchteträger verwendet, weiterhin die wichtigste. Trotz ihrer Nachteile und ihres hohen spezifischen Energieverbrauchs sind Satztrockner für die Getreide-, Kräuter- und Heutrocknung noch weit verbreitet. Ferner werden Konvektionstrockner gemeinhin zur künstlichen Trocknung eingesetzt. Diese Arbeit ist Teil eines Forschungsprojekts, welches eine sorptionsgestützte solare Trocknung von landwirtschaftlichen Gütern untersucht. Bei dieser wird kühle feuchte Luft in Kontakt mit einer konzentrierten hygroskopischen Salzlösung gebracht. Während dieses Prozesses wird die Luft entfeuchtet und mit Hilfe der freigesetzten Verdampfungsenthalpie erwärmt. Die Anwendung dieses Verfahrens zur Trocknung landwirtschaftlicher Güter ist besonders interessant für Produkte, die bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden, um ihre Qualität nicht negativ zu beeinflussen. Bei allen energieintensiven Prozessen und vor allem bei der Verwendung von Solarenergie ist ein effizienter Energieverbrauch äußerst wichtig für den technischen und ökonomischen Erfolg. Eine ungleichmäßige Trocknung ist oftmals bei Satztrocknern zu beobachten, was die Energieeffizienz negativ beeinflusst. Aus diesem Grund lag im agrartechnischen Teil des Projekts der Schwerpunkt auf der Trocknung bei niedrigen Temperaturen und geringer Luftfeuchte, die der Sorptionsprozess liefert, sowie auf der Verbesserung der Luftverteilung und der Gleichmäßigkeit der Trocknung in lockeren und verdichteten Schüttungen. Es wurden Dünnschicht-Trocknungsexperminente für Blattsellerie bei unterschiedlichen Lufttemperaturen und unterschiedlicher relativer Luftfeuchte durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass nicht nur die Lufttemperatur einen großen Einfluss auf die Trocknungsgeschwindigkeit hat, sondern auch die relative Luftfeuchte. Dies ist vor allem bei niedrigen Temperaturen, wie sie vom Sorptionssystem geliefert werden, der Fall. Um die Luftverteilung und Gleichmäßigkeit der Trocknung lockerer Schüttungen zu untersuchen, wurde ein Kistentrockner experimentell und in Strömungssimulationen getestet. Die Leistung des ursprünglichen Trockners wurde signifikant durch einfache Veränderungen des Designs verbessert. Diese stellten einen gleichmäßigeren Luftstrom durch das Produkt sicher. Die Trocknung von Heu-Rundballen stellt eine Herausforderung dar, da diese sehr stark verdichtet sind und die Dichte innerhalb eines Ballens stark schwankt. Strömungs- und Trocknungssimulationen so wie experimentelle Messungen zeigten, dass das Trocknerdesign einen großen Einfluss auf die Gleichmäßigkeit der Trocknung hat. Bei den einfachsten Trocknervarianten war die Verteilung auch bei optimal gepressten Ballen unzureichend, während komplexere Trockner eine gleichmäßigere Trocknung erzielten. Jedoch werden auch hier die Ergebnisse stark von der Verteilung der Dichte im Ballen beeinflusst, welche in der Praxis weiterhin nicht ideal ist. Abschließend wurde, um den Trocknungsfortschritt zu überwachen, eine Methodik getestet, bei der zur Messung des durchschnittlichen aktuellen Feuchtegehalts des Produktes psychrometrische Messungen und Messungen des Luftstroms in kurzen Abständen durchgeführt wurden. Die Menge des tatsächlich entfernten Wassers stimmte in den meisten Fällen gut mit der geschätzten Menge überein. Jedoch hängt der Erfolg dieser Methode stark von der Genauigkeit der Messfühler ab.

Effects of changing water availability on land use in irrigated mountain oases of Al Jabal Al Akhdar, northern Oman

In Oman, during the last three decades, agricultural water use and groundwater extraction has dramatically increased to meet the needs of a rapidly growing population and major changes in lifestyle. This has triggered agricultural land-use changes which have been poorly investigated. In view of this our study aimed at analysing patterns of shortterm land-use changes (2007-2009) in the five irrigated mountain oases of Ash Sharayjah, Al’Ayn, Al’Aqr, Qasha’ and Masayrat ar Ruwajah situated in the northern Oman Hajar mountains of Al Jabal Al Akhdar where competitive uses of irrigation water are particularly apparent. Comprehensive GIS-based field surveys were conducted over three years to record changes in terrace use in these five oases where farmers have traditionally adapted to rain-derived variations of irrigation water supply, e.g. by leaving agricultural terraces of annual crops uncultivated in drought years. Results show that the area occupied with field crops decreased in the dry years of 2008 and 2009 for all oases. In Ash Sharayjah, terrace areas grown with field crops declined from 4.7 ha (32.4 % of total terrace area) in 2007 to 3.1 ha (21.6 %) in 2008 and 3.0 ha (20.5 %) in 2009. Similarly, the area proportion of field crops shrunk in Al’Ayn, Qasha’ and Masayrat from 35.2, 36.3 and 49.6 % in 2007 to 19.8, 8.5 and 41.3 % in 2009, respectively. In Al’Aqr, the area of field crops slightly increased from 0.3 ha (17.0 %) in 2007 to 0.7 (39.1 %) in 2008, and decreased to 0.5 ha (28.8 %) in 2009. During the same period annual dry matter yields of the cash crop garlic in Ash Sharayjah increased from 16.3 t ha-1 in 2007 to 19.8 t ha-1 in 2008 and 18.3 t ha-1 in 2009, while the same crop yielded only 0.4, 1.6 and 1.1 t ha-1 in Masayrat. In 2009, the total estimated agricultural area of the new town of Sayh Qatanah above the five oases was around 13.5 ha. Our results suggest that scarcity of irrigation water as a result of low precipitation and increased irrigation and home water consumption in the new urban settlements above the five oases have led to major shifts in the land-use pattern and increasingly threaten the centuries-long tradition and drought-resilience of agriculture in the oases of the studied watershed.

Populationsgenetik und Phylogeographie des Archäophyten und Kulturreliktzeigers Vinca minor L. (Apocynaceae)

Das Kleine Immergrün (Vinca minor L.) aus der Familie der Apocynaceae ist in der Krautschicht sommergrüner Wälder Südeuropas heimisch, während es in weiten Teilen Mitteleuropas als wahrscheinlich von den Römern eingeführter, altetablierter Archäophyt gilt. Noch heute ist die Art als Kulturreliktzeiger häufig in der Umgebung ehemaliger römischer Tempel und mittelalterlicher Burgruinen zu finden. Zudem wird V. minor in zahlreichen Gartenformen kultiviert. In Teilen Nordamerikas wird der Chamaephyt hingegen als eingeführte, invasive Art eingestuft, die die einheimische Flora und Fauna bedroht. Da V. minor Stolonen bilden kann und in Mitteleuropa selten reife Samen beobachtet werden, wurde bislang vermutet, dass V. minor Bestände in Mitteleuropa sich rein asexuell erhalten. Diese Hypothese wurde aber bisher nie mit molekularen Methoden überprüft. Auch zur Populationsgenetik der Art ist bisher nichts bekannt. Aus diesen Gegebenheiten resultieren folgende Fragen: Wie hoch ist die genetische Diversität von V. minor im submediterranen Ursprungsgebiet im Vergleich zu Mitteleuropa und Nordamerika und wie ist sie in den Großregionen jeweils strukturiert? Korreliert die anthropogen bedingte Einführung mit einer genetischen Verarmung in Mitteleuropa? Gibt es in mitteleuropäischen und nordamerikanischen Populationen Hinweise auf sexuelle Reproduktion, oder erfolgt eine rein vegetative Vermehrung? Gibt es genetische Hinweise für Auswilderungen aus Gärten? Lassen sich die historischen Ausbreitungswege der Art von Süd- nach Mitteleuropa, innerhalb Mitteleuropas sowie nach Nordamerika rekonstruieren? Mikrosatellitenmarker stellen für populationsgenetische Analysen heute die weitaus gängigste Technik dar. Als codominante, locusspezifische Marker erlauben sie die präzise Erfassung populationsgenetischer Parameter zur Quantifizierung der genetischen Diversität und Struktur, die Abschätzung von Genfluss, und die Detektion von Klonen. Mikrosatelliten sind mit Hilfe neuer DNA-Sequenziertechniken (NGS) unproblematisch und kosteneffektiv isolierbar. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurden daher zunächst nukleäre und plastidäre Mikrosatellitenmarker über NGS-454-Sequenzierung entwickelt. Etablierung von nukleären und plastidären Mikrosatellitenmarkern Zur Etablierung artspezifischer nukleärer Mikrosatellitenmarker wurden zwei Verfahren angewendet. Zum einen wurde in einer öffentlich zugänglichen, über 454-Sequenzierung der cDNA von V. minor gewonnene und im 'sequence read archive' von NCBI hinterlegte Datenbank (Akzessionsnummer SRX039641) nach Mikrosatelliten gesucht. Zum anderen wurde die 454-Technologie eingesetzt, um in Kooperation mit Dr. Bruno Huettel vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtung in Köln genomische Sequenzdaten anhand einer V. minor-Akzession zu generieren und aus diesen Mikrosatelliten zu etablieren. Eine Assemblierung der 723.230 cDNA-Sequenzen mit insgesamt 387 Mbp erzielte eine Reduzierung auf 267.199 Unigenes (267 Mbp), die der genomischen Sequenzen eine Reduzierung von 43.565 (18 Mbp) auf 24.886 Sequenzen (13,7 Mbp). Die assemblierten Datensätze enthielten 25.253 bzw. 1.371 Mikrosatellitenloci aus Mono- bis Hexa-Nukleotidmotiven. Die Effizienz der Assemblierung war somit v. a. bei den cDNA-Sequenzen gering. Da die Etablierung von Mikrosatellitenloci aber auch auf Basis redundanter Sequenzen möglich ist, sofern ein manueller Abgleich der selektierten Sequenzen erfolgt, wurde auf eine weitere Optimierung der Assemblierung verzichtet. Aus den so identifizierten Loci wurden 60 (cDNA) bzw. 35 (genomische DNA) Di-, Tri- und Tetranukleotidmotive selektiert, flankierende Primer synthetisiert und in umfangreichen Pilotstudien getestet. Jeweils neun der Loci erwiesen sich als robuste, polymorphe Marker. Die sieben vielversprechendsten Marker wurden schließlich für die populationsgenetische Untersuchung ausgewählt. Auch die Etablierung plastidärer Mikrosatellitenmarker erfolgte über zwei Ansätze. Zum einen wurde das Plastom von V. minor aus dem genomischen 454-Sequenzdatensatz rekonstruiert und auf das Vorhandensein von (A)n/(T)n-Wiederholungseinheiten hin untersucht. Für 14 der 17 dabei detektierten Loci konnten Primer entworfen werden. In einer Pilotstudie erwiesen sich vier der Loci als funktionelle, polymorphe Marker. Zusätzlich wurden die zehn universellen (ccmp) Primerpaare zur Amplifikation plastidärer Mikrosatellitenloci aus Weising & Gardner (1999) getestet, von denen zwei als funktionelle, polymorphe Marker für die Hauptstudie geeignet waren. Populationsgenetische und phylogeographische Analyse Ein Probenset aus insgesamt 967 Pflanzenproben aus 70 Populationen aus Mitteleuropa inkl. der Alpen, den Regionen südlich und westlich der Alpen sowie aus Kanada und 18 Cultivaren wurde mittels der sieben neu etablierten, artspezifischen nukleären Mikrosatellitenmarker populationsgenetisch untersucht. Dabei erwiesen sich 21 der 31 untersuchten Populationen südlich und westlich der Alpen als genetisch hoch divers, die übrigen 10 zeigten vor allem klonales Wachstum und wiesen jeweils ein bis drei Multilocus-Genotypen (MLGs) auf. In 30 der 36 mitteleuropäischen Vorkommen (inkl. der Alpen) sowie den kanadischen Beständen war jeweils nur ein einziger MLG präsent. Drei der Vorkommen zeigten mit einem Heterozygotendefizit einzelner Stichproben Hinweise auf Geitonogamie, an drei weiteren Vorkommen traten jeweils zwei sowohl hinsichtlich der Blütenfarbe und -architektur als auch des MLG unterschiedliche Linien auf. An einem dieser Vorkommen wurde ein Hybrid-Genotyp detektiert, bisher der einzige molekulare Hinweis auf sexuelle Reproduktion im engeren Sinn in Mitteleuropa. Die 967 Stichproben konnten insgesamt 310 individuellen Multilocus-Genotypen (MLGs) zugeordnet werden. Davon traten 233 MLGs nur in jeweils einer einzigen Probe auf, die 77 verbleibenden wurden in mehreren Akzessionen detektiert. Aus einer Simulation ging hervor, dass diese wiederholten MLGs auf rein asexuelle Reproduktion zurückzuführen sind. In Mitteleuropa waren lediglich 18 MLGs vertreten, von denen sieben an bis zu zehn, mehrere hundert Kilometer entfernten Fundorten auftraten. In Nordamerika gehören gar alle drei untersuchten Populationen dem gleichen Klon an. In Mitteleuropa traten in zwei Fällen somatische Mutationen zwischen zwei MLGs auf, sodass diese zu klonalen Linien (Multilocus-Linien; MLL) zusammengefasst werden konnten. Sieben der 18 Cultivare weisen einen zu diversen Freilandvorkommen identischen Genotypen auf. Die Ergebnisse reflektieren den durch die anthropogene Selektion bedingten genetischen Flaschenhalseffekt, in dessen Folge der Genpool von Vinca minor in Mitteleuropa gegenüber der südeuropäischen Heimat der Art stark reduziert wurde. Sexuelle Reproduktion in Mitteleuropa zwischen zwei genetisch unterschiedlichen Individuen ist nur an wenigen Standorten überhaupt möglich und da meist nur ein Klon am gleichen Fundort auftritt, sehr selten. Die Ausbreitung erfolgt zudem rein anthropogen und über erhebliche Strecken, wie die identischen MLGs an unterschiedlichen, weit auseinander liegenden Fundorten belegen. Südlich und westlich der Alpen hingegen ist sexuelle Reproduktion über Samen häufig. Aus den kalkulierten Neighbour-Joining Phenogrammen, Neighbour-Nets und der Bayes'schen Analyse ergibt sich prinzipiell eine Abtrennung der in Norditalien und Slowenien gelegenen Vorkommen von den übrigen Regionen, wohingegen mehrere mittelitalienische Populationen mit denen westlich der Alpen und den mitteleuropäischen Vorkommen in einer engeren genetischen Beziehung stehen. Da die mittelitalienischen Vorkommen jedoch Anzeichen anthropogenen Ursprungs aufweisen (Monoklonalität, Lage an Wegrändern oder Burgen), lassen sich diese Populationen nur bedingt als potentielle Ursprungspopulationen ableiten. Die genetisch diversen norditalienischen und slowenischen Populationen sind trotz der Fragmentierung der norditalienischen Waldvegetation insgesamt nur moderat voneinander differenziert (FST=0,14, GST=0,17, RST=0,19). Die AMOVA ergab, dass über 80 % der genetischen Variation auf Variation innerhalb der Populationen zurückzuführen ist. Dennoch ergab sich aus einem Mantel-Test eine zunehmende genetische Differenzierung mit zunehmender geographischer Distanz (r=0,59). Die phylogeographische Analyse wurde mit Hilfe von vier plastidären Mikrosatellitenmarkern aus der 454-Sequenzierung und zwei universellen plastidären ccmp-Mikrosatellitenloci durchgeführt. Untersucht wurden jeweils eine bis sechs Stichproben aus den o. g. 70 Populationen, die 18 Cultivare sowie zusätzliche Einzelproben aus mehreren Ländern, deren DNA aus Herbarbelegen isoliert wurde. Insgesamt wurden 297 Proben untersucht. Unter diesen wurden in der phylogeographischen Analyse sieben plastidäre Haplotypen detektiert. In der Region südlich der Alpen traten sechs Haplotypen auf (H1 bis H5, H7), in Mitteleuropa vier Haplotypen (H1 bis H3, H6), in Nordamerika, Großbritannien, Schweden und Nordamerika trat hingegen nur ein einziger Haplotyp H1 auf. Die beiden häufigsten Haplotypen nahmen im berechneten Haplotypen-Netzwerk periphere Positionen ein und waren durch sieben Mutationschritte voneinander getrennt. Südlich der Alpen ergab sich jedoch keine klare geographische Verteilung der Haplotypen. Auch die plastidären Daten indizieren somit eine geringere genetische Diversität in den Gebieten, wo V. minor eingeführt wurde. Der geographische Ursprung der mitteleuropäischen Vorkommen in Südeuropa konnte nicht abschließend geklärt werden, jedoch lässt das Vorkommen von zwei weit entfernten Haplotypen den Schluss zu, dass Vinca minor mindestens zweimal (und vermutlich mehrfach) unabhängig in Mitteleuropa eingeführt wurde.

Der Einfluss langjähriger Applikation von Biogasgüllen auf die Bodenfruchtbarkeit

Biogasgüllen haben bezüglich ihrer Wirkung auf die Bodenfruchtbarkeit, das Pflanzenwachstum und die Umwelt, Vor- und Nachteile. Als Folge der intensiven Nutzung von Biogas zur Energieerzeugung wurde die Biogasgülle eine der wichtigsten organischen Dünger, mit zunehmender Relevanz für den konventionellen aber auch den ökologischen Landbau. Aufgrund der frühen Entwicklung von Biogas und dem Einsatz von Biogasgüllen in der ökologischen Landwirtschaft in den achtziger Jahren im Nord-Osten Baden-Württembergs sind heute Ackerflächen vorhanden, die seit mehr als 25 Jahren mit Biogasgülle gedüngt werden. Somit bestand hier eine Möglichkeit, Informationen über die Langzeiteffekte von Biogasgüllen auf Parameter der Bodenfruchtbarkeit in der ökologischen, landwirtschaftlichen Praxis zu erlangen. Im ersten Projekt wurde daher eine On-Farm Boden- und Gülleprobenahme durchgeführt. Ziel war es, Parameter der Bodenfruchtbarkeit wie die mikrobielle Aktivität (Basalatmung), den mikrobiellen Biomasse C und N, pilzliches Ergosterol, mikrobielle Residuen (Aminozucker), organischen C, gesamt N und den pH-Wert im Boden auf fünf Flächenpaaren des biologisch-dynamischen Landbaus zu messen. Die sich daraus ergebende Hypothese war hierbei, dass der langjährige Einsatz von Biogasgülle im Vergleich zu Rohgüllen keinen Effekt auf die organische Bodensubstanz und die mikrobiellen Eigenschaften des Bodens hat, da die negativen Effekte wie zum Beispiel der reduzierte C-Input durch positive Effekte wie z.B. die erhöhte Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen kompensiert wird. Die Ergebnisse zeigten, dass die Langzeitanwendung von Biogasgülle keinen negativen Einfluss auf die C- und N-Vorräte im Boden hatte. Der Einsatz von Biogasgülle führte jedoch zu einem engeren Verhältnis von mikrobiellem C zu organischem C im Boden, was auf eine reduzierte C-Verfügbarkeit für Mikroorganismen im Vergleich zu Rohgüllen schließen lässt. Die Biogasgülleanwendung führte zu einer tendenziellen Abnahme der mikrobiellen Residuen, wobei die unterschiedlichen Tongehalte der untersuchten Flächen mögliche signifikante Gülleeffekte auf die mikrobiellen Eigenschaften verdeckt haben. Es gab keine generellen Effekte der Biogasgülle auf das Verhältnis von Pilzen zu Bakterien, wohingegen ein zunehmender Tongehalt eine signifikante Verlagerung in Richtung der Bakterien verursachte. Die Übereinstimmung der erhobenen Daten aller angewendeten Methoden weist auf die starke Aussagekraft dieser On-Farm Studie zum Vergleich benachbarter Flächen hin. Im Anschluss an das On-Farm Projekt, in dem die Langzeitwirkung von Biogasgülle auf den Boden untersucht wurde, sollten die Auswirkungen der Düngung mit unterschiedlichen Biogas-und Rohgüllen unter kontrollierten Bedingungen geprüft werden. Daher wurde ein 70-tägiger Gewächshausversuch mit den Güllen der biologisch-dynamischen Betriebe auf einem tonigen Schluff und unter Weidelgras (Lolium multiflorum, var. Ligrande) durchgeführt. Ziel war es, die Effekte unterschiedlicher Güllen auf das Pflanzenwachstum und die mikrobiellen Eigenschaften im Boden und an Wurzeln zu untersuchen. Die Düngung erhöhte die durchschnittliche oberirdische Pflanzenbiomasse um 69% unter Biogasgülle und um 36% unter Rohgülle im Vergleich zur ungedüngten Kontrolle. Zwischen der oberirdischen Biomasse und dem zugeführten NH4-N wurde ein stark linearer Zusammenhang festgestellt. Im Gegensatz zu den Biogasgüllen gab es unter den Rohgüllen einen signifikanten Anstieg des mikrobiellen Biomasse C und N um etwa 25% verglichen zur ungedüngten Kontrollvariante. Der Einsatz von Biogasgüllen führte gegenüber der Rohgülle und Kontrolle zu geringeren Ergosterolgehalten im Boden, was ein engeres Verhältnis von Ergosterol zu mikrobieller Biomasse C zur Folge hatte. Bezogen auf die Wurzeltrockenmasse verringerte die Düngung die Konzentrationen der Aminozucker Muraminsäure, Galaktosamin und Glukosamin um 24, 29 und 37%, gleichzeitig wurde jedoch kein Einfluss auf die Ergosterolgehalte festgestellt. Dies war höchstwahrscheinlich Folge der reduzierten Kolonisierung mit arbuskulärer Mykorrhiza in Gegenwart ausreichend verfügbarer Pflanzennährstoffen. Um einen Eindruck über die mikrobielle Biomasse und die mikrobielle Gemeinschaft in Biogas- und Rohgüllen zu bekommen, wurde ein drittes Projekt durchgeführt. Die von den 6 biologisch-dynamischen Betrieben erhaltenen Güllen wurden auf ihre Ergosterol- und Aminozuckerkonzentrationen untersucht. Hierbei entstand eine zuverlässige und präzise Methode zur Bestimmung von Ergosterol in Biogas- und Roghüllen. Die Biogasgüllen enthielten signifikant geringere Konzentrationen an Ergosterol (-34%), MurN (-42%), GalN (-32%) und pilzlichem GlcN (-40%) im Vergleich zu den Rohgüllen. Die durchschnittlichen Verhältnisse von pilzlichem GlcN zu Ergosterol (50) und pilzlichem C zu bakteriellem C (0.29) zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gülletypen. Die durchschnittliche Konzentration von mikrobiellem C war in Biogasgülle signifikant geringer als in Rohgülle. Demzufolge lag der Anteil des mikrobiellen C am organischen C bei 3.6% in den Biogasgüllen und 5.7% in den Rohgüllen. Zwischen dem mikrobiellen C der Güllen und deren Faser- und Aschegehalte, sowie den pH-Werten und den CN Verhältnissen konnten nicht-lineare Zusammenhänge festgestellt werden.

Optimizing Robust Quantum Gates in Open Quantum Systems

We are currently at the cusp of a revolution in quantum technology that relies not just on the passive use of quantum effects, but on their active control. At the forefront of this revolution is the implementation of a quantum computer. Encoding information in quantum states as “qubits” allows to use entanglement and quantum superposition to perform calculations that are infeasible on classical computers. The fundamental challenge in the realization of quantum computers is to avoid decoherence – the loss of quantum properties – due to unwanted interaction with the environment. This thesis addresses the problem of implementing entangling two-qubit quantum gates that are robust with respect to both decoherence and classical noise. It covers three aspects: the use of efficient numerical tools for the simulation and optimal control of open and closed quantum systems, the role of advanced optimization functionals in facilitating robustness, and the application of these techniques to two of the leading implementations of quantum computation, trapped atoms and superconducting circuits. After a review of the theoretical and numerical foundations, the central part of the thesis starts with the idea of using ensemble optimization to achieve robustness with respect to both classical fluctuations in the system parameters, and decoherence. For the example of a controlled phasegate implemented with trapped Rydberg atoms, this approach is demonstrated to yield a gate that is at least one order of magnitude more robust than the best known analytic scheme. Moreover this robustness is maintained even for gate durations significantly shorter than those obtained in the analytic scheme. Superconducting circuits are a particularly promising architecture for the implementation of a quantum computer. Their flexibility is demonstrated by performing optimizations for both diagonal and non-diagonal quantum gates. In order to achieve robustness with respect to decoherence, it is essential to implement quantum gates in the shortest possible amount of time. This may be facilitated by using an optimization functional that targets an arbitrary perfect entangler, based on a geometric theory of two-qubit gates. For the example of superconducting qubits, it is shown that this approach leads to significantly shorter gate durations, higher fidelities, and faster convergence than the optimization towards specific two-qubit gates. Performing optimization in Liouville space in order to properly take into account decoherence poses significant numerical challenges, as the dimension scales quadratically compared to Hilbert space. However, it can be shown that for a unitary target, the optimization only requires propagation of at most three states, instead of a full basis of Liouville space. Both for the example of trapped Rydberg atoms, and for superconducting qubits, the successful optimization of quantum gates is demonstrated, at a significantly reduced numerical cost than was previously thought possible. Together, the results of this thesis point towards a comprehensive framework for the optimization of robust quantum gates, paving the way for the future realization of quantum computers.

Efficient Characterisation and Optimal Control of Open Quantum Systems - Mathematical Foundations and Physical Applications

Since no physical system can ever be completely isolated from its environment, the study of open quantum systems is pivotal to reliably and accurately control complex quantum systems. In practice, reliability of the control field needs to be confirmed via certification of the target evolution while accuracy requires the derivation of high-fidelity control schemes in the presence of decoherence. In the first part of this thesis an algebraic framework is presented that allows to determine the minimal requirements on the unique characterisation of arbitrary unitary gates in open quantum systems, independent on the particular physical implementation of the employed quantum device. To this end, a set of theorems is devised that can be used to assess whether a given set of input states on a quantum channel is sufficient to judge whether a desired unitary gate is realised. This allows to determine the minimal input for such a task, which proves to be, quite remarkably, independent of system size. These results allow to elucidate the fundamental limits regarding certification and tomography of open quantum systems. The combination of these insights with state-of-the-art Monte Carlo process certification techniques permits a significant improvement of the scaling when certifying arbitrary unitary gates. This improvement is not only restricted to quantum information devices where the basic information carrier is the qubit but it also extends to systems where the fundamental informational entities can be of arbitary dimensionality, the so-called qudits. The second part of this thesis concerns the impact of these findings from the point of view of Optimal Control Theory (OCT). OCT for quantum systems utilises concepts from engineering such as feedback and optimisation to engineer constructive and destructive interferences in order to steer a physical process in a desired direction. It turns out that the aforementioned mathematical findings allow to deduce novel optimisation functionals that significantly reduce not only the required memory for numerical control algorithms but also the total CPU time required to obtain a certain fidelity for the optimised process. The thesis concludes by discussing two problems of fundamental interest in quantum information processing from the point of view of optimal control - the preparation of pure states and the implementation of unitary gates in open quantum systems. For both cases specific physical examples are considered: for the former the vibrational cooling of molecules via optical pumping and for the latter a superconducting phase qudit implementation. In particular, it is illustrated how features of the environment can be exploited to reach the desired targets.