Fast and accurate numerical solutions in some problems of particle and radiation transport: synthetic acceleration for the method of short characteristics, Doppler-broadened scattering kernel, remote sensing of the cryosphere

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors.

Specific enzymatic cleavage and payload release from peptide-based hybrid nanocapsules

Within this thesis, new approaches for the concepts of peptide-polymer conjugates and peptide-based hybrid nanomaterials are investigated. In the first part, the synthesis of a triblock polymer-peptide-polymer is carried out following a typical peptide coupling reaction, both in solution and on solid-phase. The peptide sequence is chosen, so that it is cleaved by an enzyme preparation of trypsin. End-functionalized polystyrene is used as a model hydrophobic polymer and coupled to the peptide sequence. The results show successful coupling reactions in both methods, while the solid phase method produced a more defined product. Suspensions, consisting of peptide-polymer conjugates particles, are prepared in water by ultrasonication. In contact with the enzyme, the peptide constituting the conjugated particles is cleaved. This demonstrates the enzymatic cleavage in heterophase of enzymatic sequence bond to hydrophobic polymers, and is of great interest for the encapsulation and delivery of hydrophobic molecules.rnA second approach is the preparation of peptide-based hybrid nanocapsules. This is achieved by interfacial polyaddition in inverse miniemulsion with the peptide sequence functionalized with additional amino acids. A method suitable to the use of a peptide sequence for interfacial polyaddition was developed. It is shown that, the polarity of the dispersed phase influences the structures prepared, from particle-like to polymeric shell with a liquid core.rnThe peptide sequence is equipped with a FRET pair (more exactly, an internally-quenched fluorescent system) which allows the real-time monitoring of the enzymatic cleavage of the recognition site. This system shows the successful cleavage of the peptide-based nanocapsules when trypsin preparation is added to the suspensions. A water-soluble fluorescent polymer is efficiently entrapped and its possible use as marker for the capsules is highlighted. Furthermore, a small water-soluble fluorescent dye (SR-101) is successfully encapsulated and the encapsulation efficiency as a function of the functionality of the peptide and the amount of comonomer equivalent (toluene diisocyanate) is studied. The dye is encapsulated at such a high concentration, that self-quenching occurs. Thus, the release of the encapsulated dye triggered by the enzymatic cleavage of the peptide results in a fluorescence recovery of the dye. The fluorescence recovery of the FRET pair in the peptide and of the encapsulated dye correlate well.rnFinally, nanocapsules based on a hepsin-cleavable peptide sequence are prepared. Hepsin is an enzyme, which is highly upregulated in prostate cancer cells. The cleavage of the nanocapsules is investigated with healthy and “cancerous” (hepsin-expressing) cell cultures. The degradation, followed via fluorescence recovery of the FRET system, is faster for the suspensions introduced in the hepsin expressing cell cultures.rnIn summary, this work tackles the domain of responsive nanomaterials for drug delivery from a new perspective. It presents the adaptation of the miniemulsion process for hybrid peptide-based materials, and their successful use in preparing specific enzyme-responsive nanoparticles, with hydrophilic payload release properties.rn

Synthese und Charakterisierung von Polymethylmethacrylat (PMMA)-Silika-Komposit-Partikeln und fluorierten Nanopartikeln unter Verwendung des Miniemulsionsprozesses

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei verschiedene Fragestellungen bearbeitet. Zum einen wurde im Rahmen des Schwerpunktprojektes „Kolloidverfahrenstechnik“ und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Heike Schuchmann vom KIT in Karlsruhe die Verkapselung von Silika-Nanopartikeln in eine PMMA-Hülle durch Miniemulsionspolymerisation entwickelt und der Aufskalierungsprozess unter Verwendung von Hochdruckhomogenisatoren vorangetrieben. Zum anderen wurden verschiedene fluorierte Nanopartikel durch den Miniemulsionsprozess generiert und ihr Verhalten in Zellen untersucht.rnSilika-Partikel konnten durch Miniemulsionspolymerisation in zwei unterschiedlichen Prozessen erfolgreich verkapselt werden. Bei der ersten Methode wurden zunächst modifizierte Silika-Partikel in einer MMA-Monomerphase dispergiert und anschließend durch den normalen Miniemulsionsprozess Silika-beladene Tröpfchen generiert. Diese konnten zu Komposit-Partikeln polymerisiert werden. Bei der Verkapselung durch den Fission/Fusion Prozess wurden die hydrophobisierten Silika-Partikel durch Fission und Fusion Prozesse in schon vorhandene Monomertröpfchen eingebracht, welche hinterher polymerisiert wurden. Um hydrophiles Silika in einem hydrophoben Monomer zu dispergieren, musste zunächst eine Modifizierung der Silika-Partikel stattfinden. Dies geschah unter anderem über eine chemische Anbindung von 3-Methacryloxypropyltri-methoxysilan an der Oberfläche der Silika-Partikel. Des Weiteren wurden die hydrophilen Silika-Partikel durch Adsorption von CTMA-Cl physikalisch modifiziert. Unter anderem durch die Variation des Verkapselungsprozesses, der Silika-Menge, der Tensidart und –menge und der Comonomere konnten Komposit-Partikel mit unterschiedlichen Morphologien, Größen, und Füllgraden erhalten werden.rnFluorierte Nanopartikel wurden erfolgreich über den Prozess der Miniemulsionspolymerisation synthetisiert. Als Monomere dienten dabei fluorierte Acrylate, fluorierte Methacrylate und fluoriertes Styrol. Es war möglich aus jeder dieser drei Gruppen an Monomeren fluorierte Nanopartikel herzustellen. Für genauere Untersuchungen wurden 2,3,4,5,6-Pentafluorstyrol, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-Heptadecafluorodecyl-methacrylat und 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecylacrylat als Monomere ausgewählt. Als Hydrophob zur Unterdrückung der Ostwaldreifung wurde Perfluromethyldecalin eingesetzt. Die stabilsten Miniemulsionen wurden wiederum mit den ionischen Tensid SDS generiert. Mit steigendem Gehalt an SDS gelöst in der kontinuierlichen Phase, wurde eine Verkleinerung der Partikelgröße festgestellt. Neben den Homopolymerpartikeln wurden auch Copolymerpartikel mit Acrylsäure erfolgreich synthetisiert. Zudem wurde noch das Verhalten der fluorierten Partikel in Zellen überprüft. Die fluorierten Partikel wiesen ein nicht toxisches Verhalten vor. Die Adsorption von Proteinen aus Humanem Serum wurde über ITC Messungen untersucht. rnSomit konnte gezeigt werden, dass die Technik der Miniemulsionspolymerisation eine abwechslungsreiche und effektive Methode ist, um Hybridnanopartikel mit verschiedenen Morphologien und oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel erfolgreich zu generieren.rn

Biomimetic Scaffolds for the Controlled Release of Bioactive Molecules for Tissue Engineering Applications

The temporospatial controlled delivery of growth factors is crucial to trigger the desired healing mechanisms in target tissues. The uncontrolled release of growth factors has been demonstrated to cause severe side effects in its surrounding tissues. Thus, the first working hypothesis was to tune and optimize a newly developed multiscale delivery platform based on a nanostructured silicon particle core (pSi) and a poly (dl-lactide-co-glycolide) acid (PLGA) outer shell. In a murine subcutaneous model, the platform was demonstrated to be fully tunable for the temporal and spatial control release of the payload. Secondly, a multiscale approach was followed in a multicompartment collagen scaffold, to selectively integrate different sets of PLGA-pSi loaded with different reporter proteins. The spatial confinement of the microspheres allowed the release of the reporter proteins in each of the layers of the scaffold. Finally, the staged and zero-order release kinetics enabled the temporal biochemical patterning of the scaffold. The last step of this PhD project was to test if by fully embedding PLGA microspheres in a highly structured and fibrous collagen-based scaffold (camouflaging), it was possible to prevent their early detection and clearance by macrophages. It was further studied whether such a camouflaging strategy was efficient in reducing the production of key inflammatory molecules, while preserving the release kinetics of the payload of the PLGA microspheres. Results demonstrated that the camouflaging allowed for a 10-fold decrease in the number of PLGA microspheres internalized by macrophages, suggesting that the 3D scaffold operated by cloaking the PLGA microspheres. When the production of key inflammatory cytokines induced by the scaffold was assessed, macrophages' response to the PLGA microspheres-integrated scaffolds resulted in a response similar to that observed in the control (not functionalized scaffold) and the release kinetic of a reporter protein was preserved.

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Methodenentwicklung zur Charakterisierung von metallischen Nanopartikeln und deren potentieller Einsatz bei der Analyse von Biomolekülen mittels ICP-MS Kopplungstechniken

Die qualitative und quantitative Analyse von Biomolekülen hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Durch das Aufkommen und die kontinuierliche Weiterentwicklung neuer Separations- und Detektionsmethoden und deren Verbindung miteinander zu leistungsfähigen Einheiten, erlangte man Schritt für Schritt neue Erkenntnisse bei ihrer Untersuchung. Die Elementmassenspektrometrie als nachweisstarke Detektionsmethode wird von vielen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen bei der Trennung und Quantifizierung von Proteinen und Metalloproteinen mittels Detektion der in den Biomolekülen vorkommenden Metalle und Heteroatome angewendet. Heteroatome (z.B. Schwefel, Phosphor) haben im Plasma des ICP-MS (inductively coupled plasma - mass spectrometer) schlechte Ionisationseigenschaften und dementsprechend deutlich höhere Nachweisgrenzen als Metalle. Ein Ansatz, schlecht oder nicht detektierbare Verbindungen (also solche, die keine Metalle oder Heteroatome enthalten) mit dem ICP-MS sichtbar zu machen, ist die Markierung der selbigen mit Metallionen oder -cluster. rnIn dieser Arbeit ist es gelungen, der Analyse ganz unterschiedlicher Substanzklassen, zum einen metallische Nanopartikel und zum anderen Proteine, neue Impulse zu geben und zukünftiges Potential bei der Anwendung gekoppelter Techniken zur Separation und Detektion aufzuzeigen. Durch die Verwendung einer alten, aber neu konzipierten Trenntechnik, der Gelelektrophorese (GE), und deren Kopplung an einen modernen Detektor, dem ICP-MS, kann die für die Proteinanalytik weit verbreitete Gelelektrophorese ihr enormes Potential bei der Trennung verschiedenster Verbindungsklassen mit der exzellenten Nachweisstärke und Elementspezifität des ICP-MS verbinden und dadurch mit deutlich weniger Arbeitsaufwand als bisher qualitative und auch quantitative Ergebnisse produzieren. Bisher war dies nur mit großem präparativem Aufwand unter Verwendung der laser ablation möglich. Bei der Analyse von Nanopartikeln konnte aufgezeigt werden, dass durch die GE-ICP-MS-Kopplung aufgrund der guten Trenneigenschaften der GE vorhandene Spezies bzw. Fraktionen voneinander separiert werden und mit Hilfe des ICP-MS Informationen auf atomarem Niveau gewonnen werden können. Es war möglich, das atomare Verhältnis der Metallatome im Kern und der Schwefelatome in der Ligandenhülle eines Nanopartikels zu bestimmen und damit die Größe des Partikels abzuschätzen. Auch konnte die Anzahl der Goldatome in einem dem Schmid-Cluster ähnlichen Nanopartikel bestimmt werden, was vorher nur mit Hilfe von MALDI-TOF möglich war. Bei der Analyse von Biomolekülen konnte auf einfache Weise der Phosphorylierungsgrad verschiedener Proteine bestimmt werden. Auch bei kleinen Molekülen erzielt die Gelelektrophorese ausgezeichnete Trennergebnisse, wie z. B. bei der Analyse verschiedener Brom- und Iodspezies.rnDie stöchiometrische Kopplung eines Proteins an einen Nanopartikel, ohne eine der beiden Verbindungen in einem größeren Maße zu verändern, stellte jedoch eine Herausforderung dar, die im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig gelöst werden konnte. Verschiedene Ansätze zur Kopplung der beiden Substanzen wurden erprobt, jedoch führte keine zu dem gewünschten Ergebnis einer stöchiometrisch vollständigen und spezifischen Modifikation eines Proteins mit einem Nanopartikel. Durch das Potential der GE-ICP-MS-Kopplung bei der Analyse beider Substanz-klassen und dem Beweis der Praktikabilität und Zuverlässigkeit der Methode ist jedoch der Grundstein für weitere Forschungen auf diesem Gebiet gelegt worden. Ist eine geeignete chemische Kopplung der beiden Substanzklassen gefunden und beherrscht, steht auf analytischer Seite eine leistungsstarke Kombination aus Trennung und Detektion zur Verfügung, um die Quantifizierung von Proteinen entscheidend zu verbessern.rn

Fluorescent-magnetic hybrid nanoparticles induce a dose-dependent increase in proinflammatory response in lung cells in vitro correlated with intracellular localization

Iron-platinum nanoparticles embedded in a poly(methacrylic acid) (PMA) polymer shell and fluorescently labeled with the dye ATTO 590 (FePt-PMA-ATTO-2%) are investigated in terms of their intracellular localization in lung cells and potential to induce a proinflammatory response dependent on concentration and incubation time. A gold core coated with the same polymer shell (Au-PMA-ATTO-2%) is also included. Using laser scanning and electron microscopy techniques, it is shown that the FePt-PMA-ATTO-2% particles penetrate all three types of cell investigated but to a higher extent in macrophages and dendritic cells than epithelial cells. In both cell types of the defense system but not in epithelial cells, a particle-dose-dependent increase of the cytokine tumor necrosis factor alpha (TNFalpha) is found. By comparing the different nanoparticles and the mere polymer shell, it is shown that the cores combined with the shells are responsible for the induction of proinflammatory effects and not the shells alone. It is concluded that the uptake behavior and the proinflammatory response upon particle exposure are dependent on the time, cell type, and cell culture.

Core-crosslinked compartmentalized cylinders

We present a detailed study on the preparation of compartmentalized cylindrical nanoparticles via a templated approach: the polybutadiene part of a linear polybutadiene-block-poly(2-vinyl pyridine)-block-poly(tert-butyl methacrylate) block terpolymer, B420V280T790, having a bulk microstructure with PB cylinders covered by a P2VP double helix and embedded in a PtBMA matrix was selectively crosslinked. Subsequent sonication-assisted dissolution and chemical modifications such as quaternization (P2VP to P2VPq) and ester hydrolysis (PtBMA to poly(sodium methacrylate), PMANa) resulted in core-crosslinked cylinders soluble in organic and aqueous media. Different amounts of crosslinker and the influence of the sonication treatment on size and shape of the cylindrical aggregates were investigated. The cylinders always exhibit a compartmentalized corona. Under certain conditions, in particular quaternization of P2VP in mixtures of THF and MeOH, the helical arrangement of the P2VPq shell could be preserved even in solution, whereas in most other cases randomly distributed P2VP/P2VPq patches were observed. In aqueous solution at high pH, intramicellar interpolyelectrolyte complex (im-IPEC) formation occurred between the positively charged P2VPq shell and the negatively charged PMANa corona. We further show that different noble metal nanoparticles can be generated either selectively within the im-IPEC compartments (Pd) or randomly distributed among shell and corona of the cylinders (Au and Pt).

Addition of Zinc Sulfide Shells to Semiconducting Nanoparticles and its Effect on the Nanoparticle Fluorescence Emission Properties

The addition of a ZnS shell to CdSe and CdS quantum dot cores was explored using various methods. Spectrophotometry was used to assess the success of ZnS overcoating, which produces both an increase in overall fluorescence and decrease in particle size distribution. A new method was developed, involving preheating of the zinc and sulfide precursor solutions, resulting in CdSe(ZnS) particles with improved fluorescence and a more uniform shell coating from oleylamine-capped CdSe core particles.

Recent increase in black carbon concentrations from a Mt. Everest ice core spanning 1860-2000 AD

A Mt. Everest ice core spanning 1860–2000 AD and analyzed at high resolution for black carbon (BC) using a Single Particle Soot Photometer (SP2) demonstrates strong seasonality, with peak concentrations during the winter-spring, and low concentrations during the summer monsoon season. BC concentrations from 1975–2000 relative to 1860–1975 have increased approximately threefold, indicating that BC from anthropogenic sources is being transported to high elevation regions of the Himalaya. The timing of the increase in BC is consistent with BC emission inventory data from South Asia and the Middle East, however since 1990 the ice core BC record does not indicate continually increasing BC concentrations. The Everest BC and dust records provide information about absorbing impurities that can contribute to glacier melt by reducing the albedo of snow and ice. There is no increasing trend in dust concentrations since 1860, and estimated surface radiative forcing due to BC in snow exceeds that of dust in snow. This suggests that a reduction in BC emissions may be an effective means to reduce the effect of absorbing impurities on snow albedo and melt, which affects Himalayan glaciers and the availability of water resources in major Asian rivers.

The Carrington event not observed in most ice core nitrate records

The Carrington Event of 1859 is considered to be among the largest space weather events of the last 150 years. We show that only one out of 14 well-resolved ice core records from Greenland and Antarctica has a nitrate spike dated to 1859. No sharp spikes are observed in the Antarctic cores studied here. In Greenland numerous spikes are observed in the 40 years surrounding 1859, but where other chemistry was measured, all large spikes have the unequivocal signal, including co-located spikes in ammonium, formate, black carbon and vanillic acid, of biomass burning plumes. It seems certain that most spikes in an earlier core, including that claimed for 1859, are also due to biomass burning plumes, and not to solar energetic particle (SEP) events. We conclude that an event as large as the Carrington Event did not leave an observable, widespread imprint in nitrate in polar ice. Nitrate spikes cannot be used to derive the statistics of SEPs.

Early and Middle Holocene Hunter-Gatherer Occupations in Western Amazonia: The Hidden Shell Middens

We report on previously unknown early archaeological sites in the Bolivian lowlands, demonstrating for the first time early and middle Holocene human presence in western Amazonia. Multidisciplinary research in forest islands situated in seasonally-inundated savannahs has revealed stratified shell middens produced by human foragers as early as 10,000 years ago, making them the oldest archaeological sites in the region. The absence of stone resources and partial burial by recent alluvial sediments has meant that these kinds of deposits have, until now, remained unidentified. We conducted core sampling, archaeological excavations and an interdisciplinary study of the stratigraphy and recovered materials from three shell midden mounds. Based on multiple lines of evidence, including radiocarbon dating, sedimentary proxies (elements, steroids and black carbon), micromorphology and faunal analysis, we demonstrate the anthropogenic origin and antiquity of these sites. In a tropical and geomorphologically active landscape often considered challenging both for early human occupation and for the preservation of hunter-gatherer sites, the newly discovered shell middens provide evidence for early to middle Holocene occupation and illustrate the potential for identifying and interpreting early open-air archaeological sites in western Amazonia. The existence of early hunter-gatherer sites in the Bolivian lowlands sheds new light on the region’s past and offers a new context within which the late Holocene “Earthmovers” of the Llanos de Moxos could have emerged.

Recent Increase in Black Carbon Concentrations from a Mt. Everest Ice Core Spanning 1860-2000 AD

A Mt. Everest ice core spanning 1860-2000 AD and analyzed at high resolution for black carbon (BC) using a Single Particle Soot Photometer (SP2) demonstrates strong seasonality, with peak concentrations during the winter-spring, and low concentrations during the summer monsoon season. BC concentrations from 1975-2000 relative to 1860-1975 have increased approximately threefold, indicating that BC from anthropogenic sources is being transported to high elevation regions of the Himalaya. The timing of the increase in BC is consistent with BC emission inventory data from South Asia and the Middle East, however since 1990 the ice core BC record does not indicate continually increasing BC concentrations. The Everest BC and dust records provide information about absorbing impurities that can contribute to glacier melt by reducing the albedo of snow and ice. There is no increasing trend in dust concentrations since 1860, and estimated surface radiative forcing due to BC in snow exceeds that of dust in snow. This suggests that a reduction in BC emissions may be an effective means to reduce the effect of absorbing impurities on snow albedo and melt, which affects Himalayan glaciers and the availability of water resources in major Asian rivers. Citation: Kaspari, S. D., M. Schwikowski, M. Gysel, M. G. Flanner, S. Kang, S. Hou, and P. A. Mayewski (2011), Recent increase in black carbon concentrations from a Mt. Everest ice core spanning 1860-2000 AD, Geophys. Res. Lett., 38, L04703, doi: 10.1029/2010GL046096.

Chemical compositions of solid particles present in the Greenland NEEM ice core over the last 110,000 years

This study reports the chemical composition of particles present along Greenland’s North Greenland Eemian Ice Drilling (NEEM) ice core, back to 110,000 years before present. Insoluble and soluble particles larger than 0.45 μm were extracted from the ice core by ice sublimation, and their chemical composition was analyzed using scanning electron microscope and energy dispersive X-ray spectroscopy and micro-Raman spectroscopy. We show that the dominant insoluble components are silicates, whereas NaCl, Na₂SO₄, CaSO ₄, and CaCO₃ represent major soluble salts. For the first time, particles of CaMg(CO₃)₂ and Ca(NO₃)₂ 4H₂O are identified in a Greenland ice core. The chemical speciation of salts varies with past climatic conditions. Whereas the fraction of Na salts (NaCl + Na₂SO₄) exceeds that of Ca salts (CaSO₄+ CaCO₃) during the Holocene (0.6–11.7 kyr B.P.), the two fractions are similar during the Bølling-Allerød period (12.9–14.6 kyr B.P.). During cold climate such as over the Younger Dryas (12.0–12.6 kyr B.P.) and the Last Glacial Maximum (15.0–26.9 kyr B.P.), the fraction of Ca salts exceeds that of Na salts, showing that the most abundant ion generally controls the salt budget in each period. High-resolution analyses reveal changing particle compositions: those in Holocene ice show seasonal changes, and those in LGM ice show a difference between cloudy bands and clear layers, which again can be largely explained by the availability of ionic components in the atmospheric aerosol body of air masses reaching Greenland.

Structural conservations and diversities of dsRNA viruses: Structural studies of the cytoplasmic polyhedrosis virus by electron cryomicroscopy and 3D reconstruction

The Reoviridae virus family is a group of economically and pathologically important viruses that have either single-, double-, or triple-shelled protein layers enclosing a segmented double stranded RNA genome. Each virus particle in this family has its own viral RNA dependent RNA polymerase and the enzymatic activities necessary for the mature RNA synthesis. Based on the structure of the inner most cores of the viruses, the Reoviridae viruses can be divided into two major groups. One group of viruses has a smooth surfaced inner core, surrounded by complete outer shells of one or two protein layers. The other group has an inner core decorated with turrets on the five-fold vertices, and could either completely lack or have incomplete outer protein layers. The structural difference is one of the determinant factors for their biological differences during the infection. ^ Cytoplasmic polyhedrosis virus (CPV) is a single-shelled, turreted virus and the structurally simplest member in Reoviridae. It causes specific chronic infections in the insect gut epithelial cells. Due to its wide range of insect hosts, CPV has been engineered as a potential insecticide for use in fruit and vegetable farming. Its unique structural simplicity, unparalleled capsid stability and ease of purification make CPV an ideal model system for studying the structural basis of dsRNA virus assembly at the highest possible resolution by electron cryomicroscopy (cryoEM) and three-dimensional (3D) reconstruction. ^ In this thesis work, I determined the first 3D structure of CPV capsids using 100 kV cryoEM. At an effective resolution of 17 Å, the full capsid reveals a 600-Å diameter, T = 1 icosahedral shell decorated with A and B spikes at the 5-fold vertices. The internal space of the empty CPV is unoccupied except for 12 mushroom-shaped densities that are attributed to the transcriptional enzyme complexes. The inside of the full capsid is packed with icosahedrally-ordered viral genomic RNA. The interactions of viral RNA with the transcriptional enzyme complexes and other capsid proteins suggest a mechanism for RNA transcription and subsequent release. ^ Second, the interactions between the turret proteins (TPs) and the major capsid shell protein (CSPs) have been identified through 3D structural comparisons of the intact CPV capsids with the spikeless CPV capsids, which were generated by chemical treatments. The differential effects of these chemical treatment experiments also indicated that CPV has a significantly stronger structural integrity than other dsRNA viruses, such as the orthoreovirus subcores, which are normally enclosed within outer protein shells. ^ Finally, we have reconstructed the intact CPV to an unprecendented 8 Å resolution from several thousand of 400kV cryoEM images. The 8 Å structure reveals interactions among the 120 molecules of each of the capsid shell protein (CSP), the large protrusion protein (LPP), and 60 molecules of the turret protein (TP). A total of 1980 α-helices and 720 β-sheets have been identified in these capsid proteins. The CSP structure is largely conserved, with the majority of the secondary structures homologous to those observed in the x-ray structures of corresponding proteins of other reoviruses, such as orthoreovirus and bluetongue virus. The three domains of TP are well positioned to play multifunctional roles during viral transcription. The completely non-equivalent interactions between LPP and CSP and those between the anchoring domain of TP and CSP account for the unparalleled stability of this structurally simplest member of the Reoviridae. ^