Chemical Bonding of Hydrocarbons to Metal Surfaces

Using x-ray absorption spectroscopy (XAS), x-ray emission spectroscopy (XES) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in combination with density functional theory (DFT) the changes in electronic and geometric structure of hydrocarbons upon adsorption are determined. The chemical bonding is analyzed and the results provide new insights in the mechanisms responsible for dehydrogenation in heterogeneous catalysis. In the case of alkanes, n-octane and methane are studied. XAS and XES show significant changes in the electronic structure upon adsorption. XES shows new adsorption induced occupied states and XAS shows quenching of CH*/Rydberg states in n-octane. In methane the symmetry forbidden gas phase lowest unoccupied molecular orbital becomes allowed due to broken symmetry. New adsorption induced unoccupied features with mainly metal character appear just above the Fermi level in XA spectra of both adsorbed methane and n-octane. These changes are not observed in DFT total energy geometry optimizations. Comparison between experimental and computed spectra for different adsorbate geometries reveals that the molecular structures are significantly changed in both molecules. The C-C bonds in n-octane are shortened upon adsorption and the C-H bonds are elongated in both n-octane and methane. In addition ethylene and acetylene are studied as model systems for unsaturated hydrocarbons. The validity of both the Dewar-Chatt-Duncanson chemisorption model and the alternative spin-uncoupling picture is confirmed, as well as C-C bond elongation and upward bending of the C-H bonds. The bonding of ethylene to Cu(110) and Ni(110) are compared and the results show that the main difference is the amount of back-donation into the molecular π* orbital, which allows the molecule to desorb molecularly from the Cu(110) surface, whereas it is dehydrogenated upon heating on the Ni(110) surface. Acetylene is found to adsorb in two different adsorption sites on the Cu(110) surface at liquid nitrogen temperature. Upon heating the molecules move into one of these sites due to attractive adsorbate-adsorbate interaction and only one adsorbed species is present at room temperature, at which point the molecules start reacting to form benzene. The bonding of the two species is very similar in both sites and the carbon atoms are rehybridized essentially to sp2.

Probing unoccupied electronic states in aqueous solutions

Water is one of the most common compounds on earth and is essential for all biological activities. Water has, however, been a mystery for many years due to the large number of unusual chemical and physical properties, e.g. decreased volume during melting and maximum density at 4 °C. The origin of the anomalies behavior is the nature of the hydrogen bond. This thesis will presented an x-ray absorption spectroscopy (XAS) study to reveal the hydrogen bond structure in liquid water. The x-ray absorption process is faster than a femtosecond and thereby reflects the molecular orbital structure in a frozen geometry locally around the probed water molecules. The results indicate that the electronic structure of liquid water is significantly different from that of the solid and gaseous forms. The molecular arrangement in the first coordination shell of liquid water is actually very similar as the two-hydrogen-bonded configurations at the surface of ice. This discovery suggests that most molecules in liquid water have two-hydrogen-bonded configurations with one donor and one acceptor hydrogen bond compared to the four-hydrogen-bonded tetrahedral structure in ice. This result is controversial since the general picture is that the structure of liquid water is very similar to the structure of ice. The results are, however, consistent with x-ray and neutron diffraction data but reveals serious discrepancies with structures based on current molecular dynamics simulations. The two-hydrogen-bond configuration in liquid water is rigid and heating from 25 °C to 90 °C introduce a minor change in the hydrogen-bonded configurations. Furthermore, XAS studies of water in aqueous solutions show that ion hydration does not affect the hydrogen bond configuration of the bulk. Only water molecules in the close vicinity to the ions show changes in the hydrogen bond formation. XAS data obtained with fluorescence yield are sensitive enough to resolved electronic structure of water molecules in the first hydration sphere and to distinguish between different protonated species. Hence, XAS is a useful tool to provide insight into the local electronic structure of a hydrogen-bonded liquid and it is applied for the first time on water revealing unique information of high importance.

Evaluation von Effektivität und Sicherheit der niederfrequenten, transkraniellen Ultraschalltherapie beim Schlaganfall

In den westlichen Ländern nimmt die Zahl der Schlaganfall-Patienten stetig zu und zählt mittlerweilernzu einer der häufigsten Todesursachen. Derzeit ist die Rekanalisationstherapie mit demrnFibrinolytikum rt-PA die einzig zugelassene Therapie. Die Rekanalisationsrate ist oftmals inkomplettrnund aufgrund von möglichen Blutungskomplikationen die Therapie nicht bei allen Patientenrnmöglich. Daher ist es wichtig, Alternativtherapieansätze (z.B. Ultraschallthrombolyse) zurnentwickeln. Blutgerinnsel können mit Hilfe von Ultraschall in Schwingung gebracht und sornlysiert oder die Wirkung von rt-PA verstärkt werden. Die vorliegende Arbeit hatte die Evaluationrnvon Bioeffekten von 60 kHz Ultraschall an gesundem und ischämischem Hirngewebe zum Ziel.rnNeben tierexperimentellen Methoden kamen auch molekular-biologische Techniken zur Anwendung.rnDie erste Studie beschäftigte sich mit der Wirkung von 60 kHz (Intensität: 0,2 W/cm2 undrnDuty Cycle 50%) auf ischämisches Hirngewebe (permanent ischämisch und nach Reperfusion).rnLediglich nach Reperfusion und Ultraschallbehandlung war das Läsionsvolumen signifikantrnerhöht, so dass von einer besonderen Vulnerabilität des Hirngewebes nach Reperfusionrnauszugehen ist (Penumbraschädigung). In der neurologischen Beurteilung der Tiere zeigte sichrnbei allen Tieren mit permanenter Okklusion und etwa einem Drittel der Tiere nach Reperfusionrnund Ultraschallbehandlung eine Hörminderung. In der anschließenden Studie wurde diernUltraschallintensität erniedrigt und der Duty Cycle variiert. In einer publizierten in vitro Studiernkonnte die zunehmende Lyserate mit steigendem Duty Cycle nachgewiesen werden. DiernAuswertung ergab eine Abhängigkeit des Läsionsvolumens von der Länge des Duty Cycles. Derrndritte Teil der Arbeit befasst sich mit der Wirkung von Ultraschall auf die Genexpression. Hierzurnwurden gesunde Ratten mit Ultraschall verschiedener Frequenzen (60 kHz, 488 kHz und 3 MHz)rntranskraniell behandelt und 4 h bzw. 24 h nach der Behandlung getötet. Proben von ischämischenrnTieren dienten als positive Kontrollen. Aufgrund von Literaturrecherchen wurden mehrerernKandidatengene ermittelt. Die Messung der Ischämieproben ergab eine weitgehende Übereinstimmungrnmit der Literatur. Die Messungen an den mit 60 kHz behandelten Proben ergabenrnkaum Anzeichen für eine differenzielle Genregulation. Die Frequenz von 488 kHz zeigte diernmeisten Regulationen, gefolgt von der Behandlung mit 3 MHz. Dieses Ergebnis lässt vermuten,rndass es sich bei den detektierten Veränderungen um protektive Mechanismen handelt, da diesernFrequenzen bislang im Tierversuch als nebenwirkungsarm beschrieben wurden. Die Auswertungrnvon 60 kHz-Proben mit Affymetrix Arrays ergab lediglich einige wenige differentiell regulierternGene. Die Array-Experimente konnten nicht durch qPCR-Messungen bestätigt werden.

Identifizierung biogene Amine bildender Bakterien und Einsatz von Enzymen zur Hemmung ihres Wachstums während der Weinbereitung

Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle in der Weinherstellung. Neben ihren positiven Stoffwechselaktivitäten wie die Bildung von Ethanol während der alkoholischen Gärung sind vor allem Bakterien in der Lage, Weinfehler zu verursachen. Einer dieser Weinfehler ist die Produktion von biogenen Aminen. Diese niedermolekularen Stickstoffverbindungen können zu verschiedenen Gesundheitsproblemen wie Bluthochdruck und Migräne führen. Aufgrund von hohen Ethanolgehalten und dem Vorkommen verschiedener biogener Amine kommt es im Wein zu einer Verstärkung dieser physiologischen Effekte. Um die Bildung dieser Verbindungen zu verhindern, ist es von speziellem Interesse, die verantwortlichen Mikroorganismen zu identifizieren und sie in ihrem Wachstum zu hemmen.In einem Teil der Dissertation stand die Isolierung und Identifizierung biogener Amine produzierender Bakterien aus deutschen Jungweinen und Mosten im Vordergrund. Es konnte gezeigt werden, dass hauptsächlich Milchsäurebakterien als potenzielle Produzenten in Frage kommen. Diese Bakteriengruppe war in hohen Titern in nahezu allen Proben vorhanden und stellt somit eine potentielle Gefahr für die Weinbereitung dar. Zur Identifizierung der Isolate wurden verschiedene molekularbiologische Methoden wie specifically amplified DNA polymorphic-PCR (Fingerprintmethode), Multiplex-PCR oder 16S rDNA-Sequenzierung angewandt. Das Screening bezüglich der Bildung von biogenen Aminen erfolgte mit Hilfe einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten hochauflösenden Dünnschichtchromatographie gefolgt von der Quantifizierung mittels HPLC.Zur Wachstumshemmung dieser Schadbakterien wurden zwei Exoenzyme aus Streptomyces albidoflavus B578 isolieren. Diese Enzyme wurden gereinigt und als eine Muramidase und eine Protease identifiziert. Aktivitätstests konnten zeigen, dass diese Enzyme eine hohe lytische Wirkung gegen weinrelevante Mikroorganismen aufweisen. Ebenso war die Aktivität der Enzyme unter Weinbedingungen sehr stabil. Aufgrund dieser Ergebnisse könnten diese Enzyme eine mögliche Alternative zur Zugabe von Lysozym oder Schwefeldioxid sein, welche konventionell in der Weinbereitung ihren Einsatz finden.

Studies of degradation of organic solar cell materials using electrical scanning probe microscopy

Intense research is being done in the field of organic photovoltaics in order to synthesize low band-gap organic molecules. These molecules are electron donors which feature in combination with acceptor molecules, typically fullerene derivarntives, forming an active blend. This active blend has phase separated bicontinuous morphology on a nanometer scale. The highest recorded power conversionrnefficiencies for such cells have been 10.6%. Organic semiconductors differ from inorganic ones due to the presence of tightly bonded excitons (electron-hole pairs)resulting from their low dielectric constant (εr ≈2-4). An additional driving force is required to separate such Frenkel excitons since their binding energy (0.3-1 eV) is too large to be dissociated by an electric field alone. This additional driving force arises from the energy difference between the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the donor and the acceptor materials. Moreover, the efficiency of the cells also depends on the difference between the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the donor and LUMO of the acceptor. Therefore, a precise control and estimation of these energy levels are required. Furthermore any external influences that change the energy levels will cause a degradation of the power conversion efficiency of organic solar cell materials. In particular, the role of photo-induced degradation on the morphology and electrical performance is a major contribution to degradation and needs to be understood on a nanometer scale. Scanning Probe Microscopy (SPM) offers the resolution to image the nanometer scale bicontinuous morphology. In addition SPM can be operated to measure the local contact potential difference (CPD) of materials from which energy levels in the materials can be derived. Thus SPM is an unique method for the characterization of surface morphology, potential changes and conductivity changes under operating conditions. In the present work, I describe investigations of organic photovoltaic materials upon photo-oxidation which is one of the major causes of degradation of these solar cell materials. SPM, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and UV-Vis spectroscopy studies allowed me to identify the chemical reactions occurring inside the active layer upon photo-oxidation. From the measured data, it was possible to deduce the energy levels and explain the various shifts which gave a better understanding of the physics of the device. In addition, I was able to quantify the degradation by correlating the local changes in the CPD and conductivity to the device characteristics, i.e., open circuit voltage and short circuit current. Furthermore, time-resolved electrostatic force microscopy (tr-EFM) allowed us to probe dynamic processes like the charging rate of the individual donor and acceptor domains within the active blend. Upon photo-oxidation, it was observed, that the acceptor molecules got oxidized first preventing the donor polymer from degrading. Work functions of electrodes can be tailored by modifying the interface with monomolecular thin layers of molecules which are made by a chemical reaction in liquids. These modifications in the work function are particularly attractive for opto-electronic devices whose performance depends on the band alignment between the electrodes and the active material. In order to measure the shift in work function on a nanometer scale, I used KPFM in situ, which means in liquids, to follow changes in the work function of Au upon hexadecanethiol adsorption from decane. All the above investigations give us a better understanding of the photo-degradation processes of the active material at the nanoscale. Also, a method to compare various new materials used for organic solar cells for stability is proposed which eliminates the requirement to make fully functional devices saving time and additional engineering efforts.

Mikrobiologie der Fermentation in NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung des Abbaus von Propionsäure

In NawaRo-Biogasanlagen (BGA) kann es durch das Angebot an leicht fermentierbaren Kohlenstoff¬quel¬len zu einer bakteriell bedingten Übersäuerung durch unerwünschte kurzkettige Fettsäuren kommen. Häufiger kommt es zur Akkumulation von Propionsäure. Methanogene Archaea können bei niedrigen pH-Werten nicht mehr wachsen. Somit kann der gesamte Prozess der mikrobiellen Bildung von Biogas zum Erliegen kom¬men, was für die Biogasbetreiber zu erheblichen finanziellen Verlusten führt. Das Ziel dieser Disserta¬tion war die Aufklärung der anaeroben bakteriellen Population, die in Biogasanlagen Propionsäure ab¬bauen kann. Aus Propionat entsteht dabei Acetat und Wasserstoff. Da dieser anaerobe Prozess endergon verläuft, kann Propionsäure anaerob nur abgebaut werden, wenn der Wasserstoffpartialdruck niedrig ge¬halten wird. Diese Aufgabe erfüllen in Biogasanalgen methanogene Archaea. Die sog. sekundären Gärer leben somit in synthropher Kultur mit methanogenen Archaea.rnIn dieser Arbeit wurden die Mikroorganismen von Propionsäure-abbauenden Anreicherungskulturen aus vier NawaRo-BGA‘s identifiziert und ihr Substrat- und Produktspektrum analysiert. Die Anreicherungskul¬turen wurden vom Prüf- und Forschungsinstitut e. V. in Pirmasens zur Verfügung gestellt. Durch Analyse der bakteriellen 16S rDNA-Sequenzen der erhaltenen stabilen Propionsäure-abbauenden Mischkulturen wurde gezeigt, dass sich unter den Bakterien hauptsächlich Verwandte von den Clostridiales, aber auch Bacteroides sp., δ-, ε- so¬wie γ-Proteobakterien, Spirochäten, Synergistales und ungewöhnlicher Weise auch Thermotogales befanden. Aus Propionsäure-abbauenden Mischkulturen und aus Fermentern mesophiler NawaRo-Biogasanlagen wurden anaerobe Bakterien und methanogene Archaea angereichert und isoliert. Es wurden aus den Propionsäure-abbauenden Mischkulturen Stämme in Reinkultur erhalten, die entsprechend der 16S rDNA-Analyse als Clostridium sartagoforme Stamm Ap1a520 und Proteiniphilum acetatigenes Stamm Fp1a520 identifiziert wurden. Sowohl aus Fermentern und Nachgärern von drei NawaRo-BGA‘s als auch aus zwei Laborfermentern des Leibniz-Instituts für Agrartechnik in Potsdam-Bornim e.V. (ATB) wurden Reinkulturen von methanogenen Archaea erhalten. Diese konnten den Species Methanobacterium formicicum, Metha¬noculleus bourgensis, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina sp., Methanosaeta concilii und Methanomethylovorans sp. zugeordnet werden. Damit wurden in dieser Arbeit unter anderem die typischen bisher nur durch molekularbiologische Methoden identifizierten Species methanogener Ar¬chaea aus unterschiedlichen Fermentern in Reinkultur erhalten. Dabei wurde gezeigt, dass die specifically amplified polymorphic DNA-PCR (SAPD-PCR) eine geeignete Methode darstellt, Stämme der gleichen Art methanogener Archaea voneinander zu unterscheiden. Die Methanproduktion der kultivierten methanoge¬nen Archaea wurde gaschromatographisch analysiert. Es zeigte sich, dass die hydrogenotrophe Metha¬nogenese der effizientere und ergiebigere Weg zur Bildung von Methan ist. Mit der Bestimmung der Zellzahl des Isolates Methanoculleus bourgensis Stamm TAF1.1 bei gleichzeitiger Messung der Methanbildung wurde gezeigt, dass die Methanbildung nicht zwangsläufig mit dem Wachstum korreliert. Ne-ben Pflanzenfasern beinhalteten das hergestellte Reaktorfiltrat in den Kultivierungsansätzen Acetat, die essentielle Aminosäure Valin und den Zuckeralkohol Glycerol. Gezielte Misch¬kul¬turen von sekundären Gärern mit methanogenen Isolaten ergaben einen fördernden Einfluss auf diese Bak¬terien durch hydrogenotrophe Archaea. Diese Bakterien bauten Substrate ab oder bildeten Produkte, die sie unter den gegebenen Bedingungen ohne hydrogenotrophe Archaea nicht umsetzen konnten.

Analysis of cumulative effects of multiple stressors on saltmarshes and consideration of management options

Natural systems face pressures exerted by natural physical-chemical forcings and a myriad of co-occurring human stressors that may interact to cause larger than expected effects, thereby presenting a challenge to ecosystem management. This thesis aimed to develop new information that can contribute to reduce the existing knowledge gaps hampering the holistic management of multiple stressors. I undertook a review of the state-of-the-art methods to detect, quantify and predict stressor interactions, identifying techniques that could be applied in this thesis research. Then, I conducted a systematic review of saltmarsh multiple stressor studies in conjunction with a multiple stressor mapping exercise for the study system in order to infer potential important synergistic stressor interactions. This analysis identified key stressors that are affecting the study system, but also pointed to data gaps in terms of driver and pressure data and raised issues for potentially overlooked stressors. Using field mesocosms, I explored how a local stressor (nutrient availability) affects the responses of saltmarsh vegetation to a global stressor (increased inundation) in different soil types. Results indicate that saltmarsh vegetation would be more drastically affected by increased inundation in low than in medium organic matter soils, and especially in estuaries already under high nutrient availability. In another field experiment, I examined the challenges of managing co-occurring and potentially interacting local stressors on saltmarsh vegetation: recreational trampling and smothering by deposition of excess macroalgal wrack due to high nutrient loads. Trampling and wrack prevention had interacting effects, causing non-linear responses of the vegetation to simulated management of these stressors, such that vegetation recovered only in those treatments simulating the combined prevention of both stressors. During this research I detected, using molecular genetic methods, a widespread presence of S. anglica (and to a lesser extent S. townsendii), two previously unrecorded non-native Spartinas in the study areas.

Isolierung, Charakterisierung und Nachweis methanogener Archaea aus laufenden Praxis-NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Beruecksichtigung der Gattung Methanobacterium

Im Verlauf der Forschungsarbeit wurden Proben aus fünf, mit nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) beschickten, landwirtschaftlichen Biogasanlagen (BGA) auf die Biozönose methanogener Archaea hin molekularbiologisch untersucht. Über „amplified rDNA restriction analysis“-Screening (ARDRA) von Bibliotheken auf Basis von 16S rRNA-Genfragmenten konnte anhand zweier beispielhafter BGA das Vorkommen von Vertretern der Gattungen Methanoculleus (Mcu.), Methanobacterium (Mb.), Methanosarcina (Msc.) und Methanosaeta (Mst.) nachgewiesen werden. Mittels denaturierender Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) wurde das Vorkommen dieser Mikroorganismen auch in den übrigen Anlagen gezeigt. Ergänzend dazu wurde in drei Anlagen Methanospirillum hungatei nachgewiesen. Nach Ausarbeitung gattungsspezifischer Isolierungsstrategien konnten insgesamt zehn Vertreter der Gattung Methanobacterium (Isolate Mb1 bis Mb10) und jeweils ein Vertreter der Gattungen Methanoculleus (Isolat Mcu(1)), Methanosarcina (Isolat NieKK) und Methanosaeta (Isolat Mst1.3) aus den BGA-Proben isoliert werden. Durch in silico-Abgleich der partiellen 16S rRNA-Gensequenzen wurden diese als Verwandte von Mb. formicicum MFT, Mcu. bourgensis MS2T, Msc. mazei S-6T und Mst. concilii FE mit einer Sequenzidentität > 97% identifiziert. Im Laufe weiterer molekularbiologischer Untersuchungen mittels DGGE und ARDRA-Analyse konnten die Isolate den Referenzstämmen zugeordnet werden. In Bezug auf die Gattung Methanobacterium ergaben sich jedoch leichte Abweichungen. Diese bestätigten sich in vergleichenden Analysen des genomischen Fingerabdrucks in der „specifically amplified polymorphic DNA“-PCR (SAPD-PCR), welche im Rahmen dieser Arbeit erstmalig erfolgreich auf archaeelle Organismen angewandt wurde. Hier zeigten die Isolate zwei von den Fingerabdrücken der untersuchten Referenzstämme verschiedene Hauptamplifikationsmuster. Aufgrund der Vielzahl der Isolate sowie dem signifikanten Vorkommen in qPCR-Analysen und Klonbibliotheken fokussierten sich die weiteren Arbeiten zur genauen Untersuchung dieser Abweichungen auf phylogenetische Analysen der Gattung Methanobacterium und die Entwicklung von Nachweissystemen. Die Aufklärung eines Großteils der 23S rRNA-Gensequenzen der Isolate und von ausgewählten Typstämmen ermöglichte ergänzende phylogenetische Untersuchungen zu durchgeführten 16S rRNA-Analysen. Dabei wurden die Isolate jeweils in einem eigenen Cluster abseits der meisten Referenzstämme aus der Gattung Methanobacterium positioniert. Analog zur Musterbildung im Rahmen der SAPD-Analyse zeigte sich eine Differenzierung in zwei Äste und ergab in Übereinstimmung mit den in silico-Sequenzabgleichen den höchsten Verwandtschaftsgrad mit Mb. formicicum MFT. Die Eignung der SAPD-PCR zur Ableitung spezifischer Primerpaare konnte erstmals auch für methanogene Archaea gezeigt werden. Die Ableitung zweier Primerpaare mit Spezifität für die Methanobacterium-Isolate Mb1 bis Mb10 sowie für den Typstamm Mb. formicicum MFT gelang und konnte im Rahmen eines Direkt-PCR-Nachweises erfolgreich auf Reinkulturen und Fermenterproben angewandt werden. Unter Einbezug der sequenzierten 23S rRNA-Genfragmente gelang die Erstellung von Oligonukleotid-Sonden für den Einsatz in Fluoreszenz in situ-Hybridisierungsexperimenten. Im Praxistest ergab sich für diese Sonden eine Spezifität für alle getesteten Vertreter der Gattung Methanobacterium sowie für Methanosphaera stadtmanae MCB-3T und Methanobrevibacter smithii PST.rnSomit konnten im Laufe der Arbeit die dominanten methanogenen Archaea in NawaRo-BGA in mehrphasigen Experimenten nachgewiesen, quantifiziert und auf nur wenige Gattungen eingegrenzt werden. Vertreter der vier dominanten Gattungen wurden isoliert und Nachweissysteme für Arten der Gattung Methanobacterium erstellt.rn

Mikrobielle Prozesskontrolle in Biogasanlagen durch Monitoring der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse im Gasbereich

Der zunehmende Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erfordert ein dynamisches Konzept, um Spitzenlastzeiten und Versorgungslücken aus der Wind- und Solarenergie ausgleichen zu können. Biogasanlagen können aufgrund ihrer hohen energetischen Verfügbarkeit und der Speicherbarkeit von Biogas eine flexible Energiebereitstellung ermöglichen und darüber hinaus über ein „Power-to-Gas“-Verfahren bei einem kurzzeitigen Überschuss von Strom eine Überlastung des Stromnetzes verhindern. Ein nachfrageorientierter Betrieb von Biogasanlagen stellt jedoch hohe Anforderungen an die Mikrobiologie im Reaktor, die sich an die häufig wechselnden Prozessbedingungen wie der Raumbelastung im Reaktor anpassen muss. Eine Überwachung des Fermentationsprozesses in Echtzeit ist daher unabdingbar, um Störungen in den mikrobiellen Gärungswegen frühzeitig erkennen und adäquat entgegenwirken zu können. rnBisherige mikrobielle Populationsanalysen beschränken sich auf aufwendige, molekularbiologische Untersuchungen des Gärsubstrates, deren Ergebnisse dem Betreiber daher nur zeitversetzt zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Laser-Absorptionsspektrometer zur kontinuierlichen Messung der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse des Methans an einer Forschungsbiogasanlage erprobt. Dabei konnten, in Abhängigkeit der Raumbelastung und Prozessbedingungen variierende Isotopenverhältnisse gemessen werden. Anhand von Isolaten aus dem untersuchten Reaktor konnte zunächst gezeigt werden, dass für jeden Methanogenesepfad (hydrogeno-troph, aceto¬klastisch sowie methylotroph) eine charakteristische, natürliche Isotopensignatur im Biogas nachgewiesen werden kann, sodass eine Identifizierung der aktuell dominierenden methanogenen Reaktionen anhand der Isotopen-verhältnisse im Biogas möglich ist. rnDurch den Einsatz von 13C- und 2H-isotopen¬markierten Substraten in Rein- und Mischkulturen und Batchreaktoren, sowie HPLC- und GC-Unter¬suchungen der Stoffwechselprodukte konnten einige bislang unbekannte C-Flüsse in Bioreaktoren festgestellt werden, die sich wiederum auf die gemessenen Isotopenverhältnisse im Biogas auswirken können. So konnte die Entstehung von Methanol sowie dessen mikrobieller Abbauprodukte bis zur finalen CH4-Bildung anhand von fünf Isolaten erstmalig in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage rekonstruiert und das Vorkommen methylotropher Methanogenesewege nachgewiesen werden. Mithilfe molekularbiologischer Methoden wurden darüber hinaus methanoxidierende Bakterien zahlreicher, unbekannter Arten im Reaktor detektiert, deren Vorkommen aufgrund des geringen O2-Gehaltes in Biogasanlagen bislang nicht erwartet wurde. rnDurch die Konstruktion eines synthetischen DNA-Stranges mit den Bindesequenzen für elf spezifische Primerpaare konnte eine neue Methode etabliert werden, anhand derer eine Vielzahl mikrobieller Zielorganismen durch die Verwendung eines einheitlichen Kopienstandards in einer real-time PCR quantifiziert werden können. Eine über 70 Tage durchgeführte, wöchentliche qPCR-Analyse von Fermenterproben zeigte, dass die Isotopenverhältnisse im Biogas signifikant von der Zusammensetzung der Reaktormikrobiota beeinflusst sind. Neben den aktuell dominierenden Methanogenesewegen war es auch möglich, einige bakterielle Reaktionen wie eine syntrophe Acetatoxidation, Acetogenese oder Sulfatreduktion anhand der δ13C (CH4)-Werte zu identifizieren, sodass das hohe Potential einer kontinuierlichen Isotopenmessung zur Prozessanalytik in Biogasanlagen aufgezeigt werden konnte.rn

A Semiempirical Transition State Structure for the First Step in the Alkaline Hydrolysis of Cocaine. Comparison between the Transition State Structure, the Phosphonate Monoester Transition State Analog, and a Newly Designed Thiophosphonate Transition State Analog

Semiempirical molecular orbital calculations have been performed for the first step in the alkaline hydrolysis of the neutral benzoylester of cocaine. Successes, failures, and limitations of these calculations are reviewed. A PM3 calculated transition state structure is compared with the PM3 calculated structure for the hapten used to induce catalytic antibodies for the hydrolysis of cocaine. Implications of these calculations for the computer–aided design of transition state analogs for the induction of catalytic antibodies are discussed.

Hydrogen bonding of nucleotide base pairs: Application of the PM3 method

The ability of the pm3 semiempirical quantum mechanical method to reproduce hydrogen bonding in nucleotide base pairs was assessed. Results of pm3 calculations on the nucleotides 2′-deoxyadenosine 5′-monophosphate (pdA), 2′-deoxyguanosine 5′-monophosphate (pdG), 2′-deoxycytidine 5′-monophosphate (pdC), and 2′-deoxythymidine 5′-monophosphate (pdT) and the base pairs pdA–pdT, pdG–pdC, and pdG(syn)–pdC are presented and discussed. The pm3 method is the first of the parameterized nddo quantum mechanical models with any ability to reproduce hydrogen bonding between nucleotide base pairs. Intermolecular hydrogen bond lengths between nucleotides displaying Watson–Crick base pairing are 0.1–0.2 Å less than experimental results. Nucleotide bond distances, bond angles, and torsion angles about the glycosyl bond (χ), the C4′C5′ bond (γ), and the C5′O5′ bond (β) agree with experimental results. There are many possible conformations of nucleotides. pm3 calculations reveal that many of the most stable conformations are stabilized by intramolecular CHO hydrogen bonds. These interactions disrupt the usual sugar puckering. The stacking interactions of a dT–pdA duplex are examined at different levels of gradient optimization. The intramolecular hydrogen bonds found in the nucleotide base pairs disappear in the duplex, as a result of the additional constraints on the phosphate group when part of a DNA backbone. Sugar puckering is reproduced by the pm3 method for the four bases in the dT–pdA duplex. pm3 underestimates the attractive stacking interactions of base pairs in a B-DNA helical conformation. The performance of the pm3 method implemented in SPARTAN is contrasted with that implemented in MOPAC. At present, accurate ab initio calculations are too timeconsuming to be of practical use, and molecular mechanics methods cannot be used to determine quantum mechanical properties such as reaction-path calculations, transition-state structures, and activation energies. The pm3 method should be used with extreme caution for examination of small DNA systems. Future parameterizations of semiempirical methods should incorporate base stacking interactions into the parameterization data set to enhance the ability of these methods.

Sulfoxides as an intramolecular sulfenylating agent for indoles and diverse applications of the sulfide-sulfoxide redox cycle in organic chemistry

This dissertation involves study of various aspects of sulfoxide chemistry. Specifically designed t-butyl and propanenitrile sulfoxides tethered to indole-2-carboxamide were used as a source of intramolecular sulfenylating agents to synthesize novel indolo[3,2-b]-1-5-benzothiazepinones which are structurally analogous to the other biologically active benzothiazepinones. This study reveals that the intramolecular cyclization of sulfoxide follows an electrophilic sulfenylation (Sulfoxide Electrophilic Sulfenylation, SES) reaction pathway. Evidence of the absence of sulfenic acid as a transient reactive intermediate in such intramolecular cyclization is also provided. In another study, sulfoxide was used as a “protecting group” of thioether to synthesize 8-membered, indole substituted, thiazocine-2-acetic acid derivative via Ring Closing Metathesis (RCM). Protection (oxidation) of inert (to RCM) sulfide to sulfoxide followed by RCM produced cyclized product in good yields. Deprotection (reduction) of sulfoxide was achieved using Lawessons Reagent (L.R.). Application of the sulfide-sulfoxide redox cycle to solve the existing difficulties in using RCM methodology to thioethers is illustrated. A new design of a “molecular brake”, based on the sulfide-sulfoxide redox cycle is described. N-Ar rotation in simple isoindolines is controlled by the oxidation state of the proximate sulfur atom. Sulfide [S(II)] shows “free” [brake OFF] N-Ar rotation whereas sulfoxide displayed hindered [brake ON] N-Ar rotation. The semi-empirical molecular orbital (PM3) calculations revealed concerted pyramidalization of amidic nitrogen with N-Ar rotation.

Experimental and Theoretical Electron Density Analysis of Copper Pyrazine Nitrate Quasi-Low-Dimensional Quantum Magnets

The accurate electron density distribution and magnetic properties of two metal-organic polymeric magnets, the quasi-one-dimensional (1D) Cu(pyz)(NO3)2 and the quasi-two-dimensional (2D) [Cu(pyz)2(NO3)]NO3·H2O, have been investigated by high-resolution single-crystal X-ray diffraction and density functional theory calculations on the whole periodic systems and on selected fragments. Topological analyses, based on quantum theory of atoms in molecules, enabled the characterization of possible magnetic exchange pathways and the establishment of relationships between the electron (charge and spin) densities and the exchange-coupling constants. In both compounds, the experimentally observed antiferromagnetic coupling can be quantitatively explained by the Cu-Cu superexchange pathway mediated by the pyrazine bridging ligands, via a σ-type interaction. From topological analyses of experimental charge-density data, we show for the first time that the pyrazine tilt angle does not play a role in determining the strength of the magnetic interaction. Taken in combination with molecular orbital analysis and spin density calculations, we find a synergistic relationship between spin delocalization and spin polarization mechanisms and that both determine the bulk magnetic behavior of these Cu(II)-pyz coordination polymers.

Butadiene via the Huckel Scheme (using Maple)

The Huckel Molecular Orbtial method is used to treat the MO's of butadiene. The method employs analytical tools and Maple.

Evaluation of environmental contamination of Clostridium difficile associated diarrhea in hospital rooms at St. Luke's Episcopal Hospital (SLEH) and review of literature on environmental sampling

The study was carried out at St. Luke's Episcopal Hospital to evaluate environmental contamination of Clostridium difficile in the infected patient rooms. Samples were collected from the high risk areas and were immediately cultured for the presence of Clostridium difficile . Lack of microbial typing prevented the study of molecular characterization of the Clostridium difficile isolates obtained led to a change in the study hypothesis. The study found a positivity of 10% among 50 Hospital rooms sampled for the presence of Clostridium difficile. The study provided data that led to recommendations that routine environmental sampling be carried in the hospital rooms in which patients with CDAD are housed and that effective environmental disinfection methods are used. The study also recommended molecular typing methods to allow characterization of the CD strains isolated from patients and environmental sampling to determine their type, similarity and origin.^