Mechanical alterations in airway smooth muscle after interaction with indoor pollutant - A mathematical model

The viscoelasticity of mammalian lung is determined by the mechanical properties and structural regulation of the airway smooth muscle (ASM). The exposure to polluted air may deteriorate these properties with harmful consequences to individual health. Formaldehyde (FA) is an important indoor pollutant found among volatile organic compounds. This pollutant permeates through the smooth muscle tissue forming covalent bonds between proteins in the extracellular matrix and intracellular protein structure changing mechanical properties of ASM and inducing asthma symptoms, such as airway hyperresponsiveness, even at low concentrations. In the experimental scenario, the mechanical effect of FA is the stiffening of the tissue, but the mechanism behind this effect is not fully w1derstood. Thus, the aim of this study is to reproduce the mechanical behavior of the ASM, such as contraction and stretching, under FA action or not. For this, it was created a two-dimensional viscoelastic network model based on Voronoi tessellation solved using Runge-Kutta method of fourth order. The equilibrium configuration was reached when the forces in different parts of the network were equal. This model simulates the mechanical behavior of ASM through of a network of dashpots and springs. This dashpot-spring mechanical coupling mimics the composition of the actomyosin machinery of ASM through the contraction of springs to a minimum length. We hypothesized that formation of covalent bonds, due to the FA action, can be represented in the model by a simple change in the elastic constant of the springs, while the action of methacholinc (MCh) reduce the equilibrium length of the spring. A sigmoid curve of tension as a function of MCh doses was obtained, showing increased tension when the muscle strip was exposed to FA. Our simulations suggest that FA, at a concentration of 0.1 ppm, can affect the elastic properties of the smooth muscle fibers by a factor of 120%. We also analyze the dynamic mechanical properties, observing the viscous and elastic behavior of the network. Finally, the proposed model, although simple, ir1corporates the phenomenology of both MCh and FA and reproduces experirnental results observed with ir1 vitro exposure of smooth muscle to .FA. Thus, this new mechanical approach incorporates several well know features of the contractile system of the cells ir1 a tissue level model. The model can also be used in different biological scales.

Morphology of accessory genital glands of spotted paca(Agouti paca Linnaeus, 1766)

The spotted paca is the second largest rodent in Brazil, where it is of great economic interestin impoverished regions in view of its prominence as a low-cost source of protein. Littleis known about the morphology of the accessory genital glands of this species. Thus, westudied the position and morphology of the genitals in ten adult male spotted pacas. Theanimals were divided into two groups, five animals were used for fixing of samples in 10%aqueous formaldehyde for macroscopic studies and the other five animals were designatedfor microscopic analysis. These were arranged in pairs and had the vesicular, prostate,coagulating and bulbourethral glands identified, being structured as mucous glands, whichlead into the pelvic urethra. It was concluded that the accessory genital glands found in thepaca are the same as those found in most rodents, showing similar histological aspects

Reaction intermediates of ethanol electro-oxidation on platinum investigated by SFG spectroscopy

Although electrochemical oxidation of simple organic molecules on metal catalysts is the basic ingredient of fuel cells, which have great technological potential as a renewable source of electrical energy, the detailed reaction mechanisms are in most cases not completely understood. Here, we investigate the ethanol-platinum interface in acidic aqueous solution using infrared-visible sum frequency generation (SFG) spectroscopy and theoretical calculations of vibrational spectra in order to identify the intermediates present during the electro-oxidation of ethanol. The complex vibrational spectrum in the fingerprint region imply on the coexistence of several adsorbates. Based on spectra in ultra-high-vacuum (UHV) and electrochemical environment from the literature and our density functional theory (DFT) calculations of vibrational spectra, new adsorbed intermediates, never before observed with conventional infrared (IR) spectroscopy, are proposed here: g2-acetaldehyde, g2-acetyl, ethylidyne, monodentate acetate, methoxy, tertiary methanol derivative, COH residue, g2-formaldehyde, mono and bidentate formate, CH3 and CH2 residues. In addition, we present new evidences for an ethoxy intermediate, a secondary ethanol derivative and an acetyl species, and we confirm the presence of previously observed adsorbates: a tertiary ethanol derivative, bidentate acetate, and COad. These results indicate that the platinum surface is much more reactive, and the reaction mechanism for ethanol electro-oxidation is considerably more complex than previously considered. This might be also true for many other molecule-catalyst systems.

Structural changes and dynamic behaviour of vanadium oxide-based catalysts for gas-phase selective oxidations

Selective oxidation is one of the simplest functionalization methods and essentially all monomers used in manufacturing artificial fibers and plastics are obtained by catalytic oxidation processes. Formally, oxidation is considered as an increase in the oxidation number of the carbon atoms, then reactions such as dehydrogenation, ammoxidation, cyclization or chlorination are all oxidation reactions. In this field, most of processes for the synthesis of important chemicals used vanadium oxide-based catalysts. These catalytic systems are used either in the form of multicomponent mixed oxides and oxysalts, e.g., in the oxidation of n-butane (V/P/O) and of benzene (supported V/Mo/O) to maleic anhydride, or in the form of supported metal oxide, e.g., in the manufacture of phthalic anhydride by o-xylene oxidation, of sulphuric acid by oxidation of SO2, in the reduction of NOx with ammonia and in the ammoxidation of alkyl aromatics. In addition, supported vanadia catalysts have also been investigated for the oxidative dehydrogenation of alkanes to olefins , oxidation of pentane to maleic anhydride and the selective oxidation of methanol to formaldehyde or methyl formate [1]. During my PhD I focused my work on two gas phase selective oxidation reactions. The work was done at the Department of Industrial Chemistry and Materials (University of Bologna) in collaboration with Polynt SpA. Polynt is a leader company in the development, production and marketing of catalysts for gas-phase oxidation. In particular, I studied the catalytic system for n-butane oxidation to maleic anhydride (fluid bed technology) and for o-xylene oxidation to phthalic anhydride. Both reactions are catalyzed by systems based on vanadium, but catalysts are completely different. Part A is dedicated to the study of V/P/O catalyst for n-butane selective oxidation, while in the Part B the results of an investigation on TiO2-supported V2O5, catalyst for o-xylene oxidation are showed. In Part A, a general introduction about the importance of maleic anhydride, its uses, the industrial processes and the catalytic system are reported. The reaction is the only industrial direct oxidation of paraffins to a chemical intermediate. It is produced by n-butane oxidation either using fixed bed and fluid bed technology; in both cases the catalyst is the vanadyl pyrophosphate (VPP). Notwithstanding the good performances, the yield value didn’t exceed 60% and the system is continuously studied to improve activity and selectivity. The main open problem is the understanding of the real active phase working under reaction conditions. Several articles deal with the role of different crystalline and/or amorphous vanadium/phosphorous (VPO) compounds. In all cases, bulk VPP is assumed to constitute the core of the active phase, while two different hypotheses have been formulated concerning the catalytic surface. In one case the development of surface amorphous layers that play a direct role in the reaction is described, in the second case specific planes of crystalline VPP are assumed to contribute to the reaction pattern, and the redox process occurs reversibly between VPP and VOPO4. Both hypotheses are supported also by in-situ characterization techniques, but the experiments were performed with different catalysts and probably under slightly different working conditions. Due to complexity of the system, these differences could be the cause of the contradictions present in literature. Supposing that a key role could be played by P/V ratio, I prepared, characterized and tested two samples with different P/V ratio. Transformation occurring on catalytic surfaces under different conditions of temperature and gas-phase composition were studied by means of in-situ Raman spectroscopy, trying to investigate the changes that VPP undergoes during reaction. The goal is to understand which kind of compound constituting the catalyst surface is the most active and selective for butane oxidation reaction, and also which features the catalyst should possess to ensure the development of this surface (e.g. catalyst composition). On the basis of results from this study, it could be possible to project a new catalyst more active and selective with respect to the present ones. In fact, the second topic investigated is the possibility to reproduce the surface active layer of VPP onto a support. In general, supportation is a way to improve mechanical features of the catalysts and to overcome problems such as possible development of local hot spot temperatures, which could cause a decrease of selectivity at high conversion, and high costs of catalyst. In literature it is possible to find different works dealing with the development of supported catalysts, but in general intrinsic characteristics of VPP are worsened due to the chemical interaction between active phase and support. Moreover all these works deal with the supportation of VPP; on the contrary, my work is an attempt to build-up a V/P/O active layer on the surface of a zirconia support by thermal treatment of a precursor obtained by impregnation of a V5+ salt and of H3PO4. In-situ Raman analysis during the thermal treatment, as well as reactivity tests are used to investigate the parameters that may influence the generation of the active phase. Part B is devoted to the study of o-xylene oxidation of phthalic anhydride; industrially, the reaction is carried out in gas-phase using as catalysts a supported system formed by V2O5 on TiO2. The V/Ti/O system is quite complex; different vanadium species could be present on the titania surface, as a function of the vanadium content and of the titania surface area: (i) V species which is chemically bound to the support via oxo bridges (isolated V in octahedral or tetrahedral coordination, depending on the hydration degree), (ii) a polymeric species spread over titania, and (iii) bulk vanadium oxide, either amorphous or crystalline. The different species could have different catalytic properties therefore changing the relative amount of V species can be a way to optimize the catalytic performances of the system. For this reason, samples containing increasing amount of vanadium were prepared and tested in the oxidation of o-xylene, with the aim of find a correlations between V/Ti/O catalytic activity and the amount of the different vanadium species. The second part deals with the role of a gas-phase promoter. Catalytic surface can change under working conditions; the high temperatures and a different gas-phase composition could have an effect also on the formation of different V species. Furthermore, in the industrial practice, the vanadium oxide-based catalysts need the addition of gas-phase promoters in the feed stream, that although do not have a direct role in the reaction stoichiometry, when present leads to considerable improvement of catalytic performance. Starting point of my investigation is the possibility that steam, a component always present in oxidation reactions environment, could cause changes in the nature of catalytic surface under reaction conditions. For this reason, the dynamic phenomena occurring at the surface of a 7wt% V2O5 on TiO2 catalyst in the presence of steam is investigated by means of Raman spectroscopy. Moreover a correlation between the amount of the different vanadium species and catalytic performances have been searched. Finally, the role of dopants has been studied. The industrial V/Ti/O system contains several dopants; the nature and the relative amount of promoters may vary depending on catalyst supplier and on the technology employed for the process, either a single-bed or a multi-layer catalytic fixed-bed. Promoters have a quite remarkable effect on both activity and selectivity to phthalic anhydride. Their role is crucial, and the proper control of the relative amount of each component is fundamental for the process performance. Furthermore, it can not be excluded that the same promoter may play different role depending on reaction conditions (T, composition of gas phase..). The reaction network of phthalic anhydride formation is very complex and includes several parallel and consecutive reactions; for this reason a proper understanding of the role of each dopant cannot be separated from the analysis of the reaction scheme. One of the most important promoters at industrial level, which is always present in the catalytic formulations is Cs. It is known that Cs plays an important role on selectivity to phthalic anhydride, but the reasons of this phenomenon are not really clear. Therefore the effect of Cs on the reaction scheme has been investigated at two different temperature with the aim of evidencing in which step of the reaction network this promoter plays its role.

Synthese funktionalisierter Phenolpolymere durch HRP-katalysierte Polyrekombination

ZUSAMMENFASSUNG: Die durch das Enzym Horseradish Peroxidase katalysierte oxidative Polymerisation substituierter Phenole gewährt einen bequemen Zugang zu funktionalisierten Phenolpolymeren, deren Anwendung als Ersatz für konventionelle Phenol-Formaldehyd-Harze zur Zeit intensiv erforscht wird. Zur Zeit werden Polymerisation dieser Art in Mischungen aus organischen Lösungsmitteln (z.B. 1,4-Dioxan) und Puffer durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine HRP-katalysierte Phenolpolymerisation von wasserunlöslichen Methacryloyl- und Maleinimid-substituierten Phenolen in 100% Pufferlösung durch die Verwendung von 2,6-methylierten Cyclodextrinen als carrier erreicht. Die so hergestellten Oligomere wurden mit Styrol und MMA copolymerisiert. Weitere Untersuchungen hatten die Synthese photoreaktiver Phenolpolymere mit Zimtsäure- oder Nitrongruppen in der Seitenkette, die Synthese thermisch vernetzbarer Phenolcopolymere aus Furan-2-carboxylsäure-(4-hydroxy-phenyl)-amid und N-methacryloyl-11-aminoundecanoyl-4-hydroxyanilid sowie die Synthese eines Redoxpolymeren ausgehend von 4-Aminophenol zum Ziel. Daneben wurden Strategien zur enzymatisch katalysierten Synthese von Poly[para-phenylenen], hyperverzweigten Phenolpolymeren und biologisch aktiven Phenolpolymeren entwickelt, und detaillierte Untersuchungen zum Polymerisationsmechanismus und zur Struktur der entstehenden Phenolpolymere vorgestellt. Die vorgestellten Phenolpolymere bestehen hoechstwahrscheinlich aus polyaromatischen Helices, da diese p-substituierten Phenole während des Rekombinationsprozesses bevorzugt an den ortho-Positionen rekombinieren.

Emissions of volatile organic compounds from tropical savanna vegetation and biomass burning

This dissertation focuses on characterizing the emissions of volatile organic compounds (VOCs) from grasses and young trees, and the burning of biomass mainly from Africa and Indonesia. The measurements were performed with a proton-transfer-reaction mass spectrometer (PTR-MS). The biogenic emissions of tropical savanna vegetation were studied in Calabozo (Venezuela). Two field campaigns were carried out, the first during the wet season (1999) and the second during the dry season (2000). Three grass species were studied: T. plumosus, H. rufa and A. canescens, and the tree species B. crassifolia, C. americana and C. vitifolium. The emission rates were determined with a dynamic plant enclosure system. In general, the emissions increased exponentially with increasing temperature and solar radiation. Therefore, the emission rates showed high variability. Consequently, the data were normalized to a standard temperature of 30°C, and standard emission rates thus determined allowed for interspecific and seasonal comparisons. The range of average daytime (10:00-16:00) emission rates of total VOCs measured from green (mature and young) grasses was between 510-960 ngC/g/h. Methanol was the primary emission (140-360 ngC/g/h), followed by acetaldehyde, butene and butanol and acetone with emission rates between 70-200 ngC/g/h. The emissions of propene and methyl ethyl ketone (MEK) were <80 ngC/g/h, and those of isoprene and C5-alcohols were between 10-130 ngC/g/h. The oxygenated species represented 70-75% of the total. The emission of VOCs was found to vary by up to a factor of three between plants of the same species, and by up to a factor of two between the different species. The annual source of methanol from savanna grasses worldwide estimated in this work was 3 to 4.4 TgC, which could represent up to 12% of the current estimated global emission from terrestrial vegetation. Two of the studied tree species, were isoprene emitters, and isoprene was also their primary emission (which accounted for 70-94% of the total carbon emitted) followed by methanol and butene + butanol. The daytime average emission rate of isoprene measured in the wet season was 27 mgC/g/h for B. crassifolia, and 123 mgC/g/h for C. vitifolium. The daytime emissions of methanol and butene + butanol were between 0.3 and 2 mgC/g/h. The total sum of VOCs emission measured during the day in the wet season was between 30 and 130 mgC/g/h. In the dry season, in contrast, the methanol emissions from C. vitifolium saplings –whose leaves were still developing– were an order of magnitude higher than in the wet season (15 mgC/g/h). The isoprene emission from B. crassifolia in the dry season was comparable to the emission in the wet season, whereas isoprene emission from C. vitifolium was about a factor of three lower (~43 mgC/g/h). Biogenic emission inventories show that isoprenoids are the most prominent and best-studied compounds. The standard emission rates of isoprene and monoterpenes of the measured savanna trees were in the lower end of the range found in the literature. The emission of other biogenic VOCs has been sparsely investigated, but in general, the standard emissions from trees studied here were within the range observed in previous investigations. The biomass burning study comprised the measurement of VOCs and other trace-gas emissions of 44 fires from 15 different fuel types, primarily from Africa and Indonesia, in a combustion laboratory. The average sum of emissions (excluding CO2, CO and NO) from African fuels was ~18 g(VOC)/kg. Six of the ten most important emissions were oxygenated VOCs. Acetic acid was the major emission, followed by methanol and formaldehyde. The emission of methane was of the same order as the methanol emission (~5 g/kg), and that of nitrogen-containing compounds was ~1 g/kg. An estimate of the VOC source from biomass burning of savannas and grasslands worldwide suggests that the sum of emissions is about 56 Tg/yr, of which 34 Tg correspond to oxygenated VOCs, 14 Tg to unsaturated and aromatic compounds, 5 Tg to methane and 3 Tg to N-compounds. The estimated emissions of CO, CO2 and NO are 216, 5117 and 9.4 Tg/yr, respectively. The emission factors reported here for Indonesian fuels are the first results of laboratory fires using Indonesian fuels. Acetic acid was the highest organic emission, followed by acetol, a compound not previously reported in smoke, methane, mass 97 (tentatively identified as furfural, dimethylfuran and ethylfuran), and methanol. The sum of total emissions of Indonesian fuels was 91 g/kg, which is 5 times higher than the emissions from African fuels. The results of this study reinforces the importance of oxygenated compounds. Due to the vast area covered by tropical savannas worldwide, the biogenic and biomass burning emission of methanol and other oxygenated compounds may be important for the regional and even global tropospheric chemistry.

HCHO, H 2 O 2 und CH 3 OOH in der Troposphäre

In dieser Arbeit wurden im Rahmen der UTOPIHAN- und HOHPEX04-Projekte Peroxid- und Formaldehydmessungen in der Troposphäre durchgeführt und wissenschaftlich interpretiert. Die Messungen während UTOPIHAN fanden dabei an Bord eines für Forschungszwecke umgerüsteten Flugzeuges (Learjet 35A) im Wesentlichen in der freien, insbesondere in der oberen Troposphäre über Europa statt. Die Messungen während HOHPEX04 waren hingegen als Bodenmessungen an der sich abwechselnd in der bodennahen Grenzschicht und in von dieser Schicht entkoppelten Luftmassen liegenden Bergstation Hohenpeißenberg (bayerisches Voralpenland) konzipiert. Um eine quantitative Auswertbarkeit der Messungen sicherzustellen, wurden die verwendeten, auf chemischer Derivatisierung und fluorimetrischer Detektion basierenden Messgeräte AL 2001CA (Peroxide) und AL 4021 (Formaldehyd) (AEROLASER) genau charakterisiert. Dabei wurde speziell die bekannte Ozoninterferenz beider Geräte in einer großen Zahl von Laborexperimenten mit unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich Wasserdampf- und Kohlenwasserstoffgehalt der Luft untersucht. Für beide Verbindungen wurden Höhen- sowie Breitenprofile erstellt und mit Ergebnissen eines 3D-Chemie-Transport-Modells (CTM) sowie früherer Studien verglichen. In einem weiteren Kapitel werden Ergebnisse einer quantitativen Studie zum Einfluss hochreichender Konvektion auf das HCHO-Budget in der mittleren und oberen Troposphäre präsentiert. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass der rasche Aufwärtstransport von Vorläufergasen von HCHO und HOx wie Methanol, Aceton und sogar gut löslicher Spurengase wie CH3OOH beziehungsweise H2O2 aus der Grenzschicht einen signifikanten, auf Grund der längeren Lebensdauer von NOx über mehrere Tage andauernden und damit großräumigen Einfluss auf die Budgets von HCHO, HOx und auch O3 in der oberen Troposphäre haben kann. Die Befunde der Studie legen desweiteren nahe, dass fehlerhafte Modellvorhersagen für die NO-Mischungsverhältnisse in der Tropopausenregion, die zum Beispiel mit Mängeln des Modells bezüglich der Höhe der Konvektion und des Stratosphären-Troposphären-Austauschs zu tun haben, hauptverantwortlich sind für gefundene Differenzen zwischen Messdaten und dem verwendeten 3D-Chemie-Transport-Modell. Um die Signifikanz der Aussagen zu erhöhen, wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, in der die Konzentration einiger chemischer Verbindungen sowie die Photolyseraten variiert wurden. Eine weitere Studie zum Einfluss verschiedener Parameter auf das CH3OOH/H2O2-Verhältnis kommt zu dem Schluss, dass dieses Verhältnis keinen idealen Indikator für Wolkenprozessierung von Luftmassen darstellt, während eine signifikant positive Abweichung vom H2O2/H2O-Verhältnis in der oberen Troposphäre ein guter Indikator für rasch aufwärts transportierte Luftmassen sein kann. Im Rahmen dieser Studie werden auch Höhen- und Breitenprofile des CH3OOH/H2O2-Verhältnisses diskutiert. In einer letzten Untersuchung zu HCHO-Messungen am Observatorium Hohenpeißenberg im Sommer 2004 werden für die in zwei Windrichtungssektoren eingeteilten Daten Korrelationen anderer Spurengase wie O3, PAN, CO, NOy und Isopren mit HCHO interpretiert. In diesem Zusammenhang wird auch versucht, den beobachteten Tagesgang von HCHO zu erklären.

Simulating short lived carbonaceous compounds with an atmospheric chemistry general circulation model

Ein neu entwickeltes globales Atmosphärenchemie- und Zirkulationsmodell (ECHAM5/MESSy1) wurde verwendet um die Chemie und den Transport von Ozonvorläufersubstanzen zu untersuchen, mit dem Schwerpunkt auf Nichtmethankohlenwasserstoffen. Zu diesem Zweck wurde das Modell durch den Vergleich der Ergebnisse mit Messungen verschiedenen Ursprungs umfangreich evaluiert. Die Analyse zeigt, daß das Modell die Verteilung von Ozon realistisch vorhersagt, und zwar sowohl die Menge als auch den Jahresgang. An der Tropopause gibt das Modell den Austausch zwischen Stratosphäre und Troposphäre ohne vorgeschriebene Flüsse oder Konzentrationen richtig wieder. Das Modell simuliert die Ozonvorläufersubstanzen mit verschiedener Qualität im Vergleich zu den Messungen. Obwohl die Alkane vom Modell gut wiedergeben werden, ergibt sich einige Abweichungen für die Alkene. Von den oxidierten Substanzen wird Formaldehyd (HCHO) richtig wiedergegeben, während die Korrelationen zwischen Beobachtungen und Modellergebnissen für Methanol (CH3OH) und Aceton (CH3COCH3) weitaus schlechter ausfallen. Um die Qualität des Modells im Bezug auf oxidierte Substanzen zu verbessern, wurden einige Sensitivitätsstudien durchgeführt. Diese Substanzen werden durch Emissionen/Deposition von/in den Ozean beeinflußt, und die Kenntnis über den Gasaustausch mit dem Ozean ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Um die Ergebnisse des Modells ECHAM5/MESSy1 zu verbessern wurde das neue Submodell AIRSEA entwickelt und in die MESSy-Struktur integriert. Dieses Submodell berücksichtigt den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre einschließlich der oxidierten Substanzen. AIRSEA, welches Informationen über die Flüssigphasenkonzentration des Gases im Oberflächenwasser des Ozeans benötigt wurde ausgiebig getestet. Die Anwendung des neuen Submodells verbessert geringfügig die Modellergebnisse für Aceton und Methanol, obwohl die Verwendung einer vorgeschriebenen Flüssigphasenkonzentration stark den Erfolg der Methode einschränkt, da Meßergebnisse nicht in ausreichendem Maße zu Verfügung stehen. Diese Arbeit vermittelt neue Einsichten über organische Substanzen. Sie stellt die Wichtigkeit der Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre für die Budgets vieler Gase heraus.

Photochemie der Troposphäre in niedrigen und mittleren Breiten: Die Rolle von Konvektion

Ozon (O3) ist in der Atmosphäre ein wichtiges Oxidanz und Treibhausgas. Während die höchsten Konzentrationen in der Stratosphäre beobachtet werden und die vor der gefährlichen UV-Strahlung schützende Ozonschicht bilden, können sich signifikante Änderungen der Ozon-Konzentration in der Region der Tropopause auf das Klima der Erde auswirken. Des Weiteren ist Ozon eine der Hauptquellen für das Hydroxylradikal (OH) und nimmt damit entscheidend Einfluss auf die Oxidationskraft der Atmosphäre. Der konvektive Transport von Ozon und seinen Vorläufergasen aus Regionen nahe der Erdoberfläche in die freie Troposphäre beeinflusst das Budget dieser Spezies in der Tropopausenregion.rnDie Datengrundlage der Studie in der vorliegenden Arbeit basiert auf den flugzeuggetragenen Messkampagnen GABRIEL 2005 (Suriname, Südamerika) sowie HOOVER I 2006 und HOOVER II 2007 (beide in Europa). Mit dem zur Verfügung stehenden Datensatz wird das Ozonbudget in der freien, unbelasteten Hintergrundatmosphäre und in der durch hochreichende Konvektion gestörten, oberen Troposphäre untersucht. Anhand der auf in-situ Messungen von O3, NO, OH, HO2 und dem aktinischen Strahlungsfluss basierten Berechnung der Netto-Ozonproduktionsrate (NOPR) werden für das Messgebiet Ozontendenzen in der unbelasteten Troposphäre abgeleitet und mit Simulationen des globalen Chemie-Transport-Modells MATCH-MPIC verglichen. Mit Hilfe zweier Fallstudien in den Tropen in Südamerika und den mittleren Breiten in Europa werden die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die obere Troposphäre quantifiziert.rnDie Ergebnisse zeigen für die Grenzschicht in niedrigen und mittleren Breiten eine eindeutige Tendenz zur Produktion von Ozon, was für den tropischen Regenwald in der Messregion nicht der allgemeinen Erwartung entsprach, nach der diese Region durch die Zerstörung von Ozon charakterisiert sein sollte. In der oberen Troposphäre ab etwa 7 km wird für die beiden Regionen eine leichte Tendenz zur Ozonproduktion beobachtet. Signifikante Unterschiede zeigen die Ergebnisse für die mittlere Troposphäre. Während die Tropen in dieser Region durch eine eindeutige Tendenz zur Zerstörung von Ozon charakterisiert sind, lässt sich über den mittleren Breiten zwar eine hohe photochemische Aktivität aber keine derart klare Tendenz feststellen. Die hohen Breiten zeichnen sich durch eine neutrale Troposphäre in Bezug auf die Ozontendenz aus und weisen kaum photochemische Aktivität auf. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit dem MATCH-MPIC Modell zeigt in weiten Teilen der Messregionen eine grundlegende Übereinstimmung in der Tendenz zur Produktion oder Zerstörung von Ozon. Die absoluten Werte werden vom Modell aber generell unterschätzt. Signifikante Unterschiede zwischen in-situ Daten und Modellsimulationen werden in der Grenzschicht über dem tropischen Regenwald identifiziert.rnDer Einfluss der Konvektion ist durch eine signifikant erhöhte NOPR gekennzeichnet. In dieser Arbeit wird in den Tropen mit einem Median-Wert von 0.20 ppbv h−1 eine um den Faktor 3.6 erhöhte NOPR im Vergleich zur ungestörten oberen Troposphäre abgeschätzt. In den mittleren Breiten führt die um eine Größenordnung höhere NO-Konzentration zu einem Wert von 1.89 ppbv h−1, was einer Überhöhung um einen Faktor 6.5 im Vergleich zum ungestörten Zustand entspricht. Diese Ergebnisse zeigen für beide Regionen in der oberen Troposphäre eine erhöhte Ozonproduktion als Folge konvektiver Aktivität. rnrnHochreichende Konvektion ist zudem ein sehr effektiver Mechanismus für den Vertikaltransport aus der Grenzschicht in die obere Troposphäre. Die schnelle Hebung in konvektiven Wolken führt bei Spurengasen mit Quellen an der Erdoberfläche zu einer Erhöhung ihrer Konzentration in der oberen Troposphäre. Die hochgradig löslichen Spurenstoffe Formaldehyd (HCHO) und Wasserstoffperoxid (H2O2) sind wichtige Vorläufergase der HOx-Radikale. Es wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer Löslichkeit in Gewitterwolken effektiv ausgewaschen werden.rnIn der vorliegenden Arbeit wird eine Fallstudie von hochreichender Konvektion im Rahmen des HOOVER II Projekts im Sommer 2007 analysiert. Am 19.07.2007 entwickelten sich am Nachmittag am Südostrand eines in nordöstlicher Richtung ziehenden mesoskaligen konvektiven Systems drei zunächst isolierte konvektive Zellen. Flugzeuggetragene Messungen in der Aus- und der Einströmregion einer dieser Gewitterzellen stellen einen exzellenten Datensatz bereit, um die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die Verteilung verschiedener Spurengase in der oberen Troposphäre zu untersuchen. Der Vergleich der Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Methan (CH4) zwischen der oberen Troposphäre und der Grenzschicht deutet auf einen nahezu unverdünnten Transport dieser langlebigen Spezies in der konvektiven Zelle hin. Die Verhältnisse betragen (0.94±0.04) für CO und (0.99±0.01) für CH4. Für die löslichen Spezies HCHO und H2O2 beträgt dieses Verhältnis in der Ausströmregion (0.55±0.09) bzw. (0.61±0.08). Dies ist ein Indiz dafür, dass diese Spezies nicht so effektiv ausgewaschen werden wie angenommen. Zum besseren Verständnis des Einflusses der Konvektion auf die Budgets dieser Spezies in der oberen Troposphäre wurden im Rahmen dieser Arbeit Boxmodell-Studien für den Beitrag der photochemischen Produktion in der Ausströmregion durchgeführt, wobei die gemessenen Spezies und Photolysefrequenzen als Randbedingungen dienten. Aus den Budgetbetrachtungen für HCHO und H2O2 wird eine Auswascheffizienz von (67±24) % für HCHO und (41±18) % für H2O2 abgeschätzt. Das für H2O2 überraschende Ergebnis lässt darauf schließen, dass dieses Molekül in einer Gewitterwolke deutlich effektiver transportiert werden kann, als aufgrund seiner hohen Löslichkeit aus der Henry-Konstanten zu erwarten wäre. Das Ausgasen von gelöstem H2O2 beim Gefrieren eines Wolkentropfens, d.h. ein Retentionskoeffizient kleiner 1, ist ein möglicher Mechanismus, der zum beobachteten Mischungsverhältnis dieser löslichen Spezies in der Ausströmregion beitragen kann.

Non-Covalent Interaction: Revealed by Rotational Spectroscopy

The pulsed jet Fourier transform microwave spectroscopy have been applied to several molecular complexes involving H2O, freons, methane, carboxylic acids, and rare gas. The obtained results showcase the suitability of this technique for studying the intermolecular interactions. The rotational spectra of three water adducts of halogenated organic molecules, i.e. chlorotrifluoroethylene, isoflurane and alfa,alfa,alfa,-trifluoroanisole, have been investigated. It has been found that, the halogenation of the partner molecules definitely changes the way in which water will link to the partner molecule. Quadrupole hyperfine structures and/or the tunneling splittings have been observed in the rotational spectra of difluoromethane-dichloromethane, chlorotrifluorometane-fluoromethane, difluoromethane-formaldehyde and trifluoromethane-benzene. These features have been useful to describe their intermolecular interactions (weak hydrogen bonds or halogen bonds), and to size the potential energy surfaces of their internal motions. The rotational spectrum of pyridine-methane pointed out that methane prefers to locate above the ring and link to pyridine through a C-H•••π weak hydrogen bond, rather than the C-H•••n interaction. This behavior, typical of complexes of pyridine with rare gases, suggests classifying CH4, in relation to its ability to form molecular complexes with aromatic molecules, as a pseudo rare gas. The conformational equilibria of three bi-molecules of carboxylic acids, acrylic acid-trifluoroacetic acid, difluoroacetic acid-formic acid and acrylic acid-fluoroacetic acid have been studied. The increase of the hydrogen bond length upon H→D isotopic substitution (Ubbelohde effect) has been deduced from the elongation of the carboxylic carbons C•••C distance. The van der Waals complex tetrahydrofuran-krypton shows that the systematic doubling of the rotational lines has been attributed to the residual pseudo-rotation of tetrahydrofuran in the complex, based on the values of the Coriolis coupling constants, and on the type (mu_b) of the interstate transitions.

Immunologische Effekte von nativen Allergenen im Vergleich zu modifizierten Allergenen

Die Prävalenz allergischer Erkrankungen ist in den letzten Jahrzehnten, insbesondere in den Industriestaaten, stetig angestiegen und schreitet weiterhin fort. Die einzige kausale Therapie, die eine Langzeitwirkung verspricht und der Entwicklung neuer Allergien bzw. dem Fortschreiten der Allergie vorbeugen kann, ist die spezifische Immuntherapie (SIT). Da bei der SIT mit natürlichen Allergenextrakten Nebenwirkungen auftreten können, ist es wichtig Alternativen für diese zu finden. In der vorliegenden Arbeit wurden native Allergene mit modifizierten Allergenen hinsichtlich ihrer Allergenität und Immunogenität verglichen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass Glutaraldehyd-modifizierte Allergoide im Vergleich zu nativen Allergenextrakten und Formaldehyd-Allergoiden eine verminderte Allergenität besitzen, was sich z.B. durch den verminderten Release der Allergiemediatoren, den Leukotrienen, durch Basophile allergischer Spender zeigte. Gleichzeitig war allerdings die Fähigkeit Glutaraldehyd-Allergoid-behandelter dendritischer Zellen (DC) autologe CD4+ T-Zellen zu stimulieren stark reduziert. Verglichen mit den nativen Allergenextrakten und den Formaldehyd-Allergoiden waren die Zytokinproduktion und die T-Zellproliferation, für letztere signifikant, vermindert. Damit übereinstimmend war die Aufnahme von Fluoreszenz-markierten Glutaraldehyd-Allergoiden in unreife DC reduziert. Daraus lässt sich schießen, dass die Modifizierung mit Glutaraldehyd, jedoch nicht mit Formaldehyd, zumindest bei den hier verwendeten Allergenpräparaten, B-Zell-Epitope zerstört und somit die Allergenität herabgesetzt wurde. Allerdings war dabei gleichzeitig die Immunogenität vermindert. Das verminderte Vorkommen der B-Zell-Epitope wäre beim Einsatz der Allergoide von Vorteil, da damit eine verminderte IgE-Bindekapazität einhergeht und unerwünschte Nebenwirkungen reduziert werden können. Jedoch sollte im günstigsten Fall bei der Allergoidisierung die T-Zell-Stimulationsfähigkeit intakt bleiben, was bei den hier verwendeten Glutaraldehyd-modifizierten Allergoiden nicht der Fall war. rnMit Einzelallergenen aus Birken- und Gräserpollen konnten keine vergleichbaren T-Zellantworten erzielt werden wie mit den Gesamtallergenextrakten. Auch hier waren Proliferation und Zytokinproduktion durch CD4+ T-Zellen nach Stimulation mit Einzelallergen-gepulsten DC bei Verwendung von Glutaraldehyd-modifizierten Allergoiden vermindert. rnEine adjuvante Wirkung von Aluminiumhydroxid (Alum) in vitro konnte in dieser Arbeit nicht eindeutig gezeigt werden. Zunächst konnte beobachtet werden, dass die eingesetzten Alum-adsorbierten Allergene und Allergoide eine toxische Wirkung auf DC hatten. Die Proliferation CD4+ T-Zellen konnte durch DC, die mit Alum-adsorbierten Allergenen behandelt wurden, nicht verstärkt werden, verglichen mit DC, die mit unadsorbiertem Allergen gepulst wurden. Es konnte lediglich eine erhöhte Produktion des Th2 Zytokins IL-4 durch Alum induziert werden. Einen Adjuvanteffekt, der in Zusammenhang mit der Induktion des pro-inflammatorischen Zytokins IL-1β stehen soll, konnte mittels ELISA in den Überständen unreifer DC nicht nachgewiesen werden. Lediglich in Monozyten, die zusätzlich mit dem TLR-Ligand LPS stimuliert wurden, war IL-1β in den Überständen detektierbar. Auf mRNA-Ebene konnte man einen leichten Effekt durch Alum hinsichtlich der IL-1β Expression erkennen. Nach zusätzlicher Gabe verschiedener Alum-Präparationen zu unreifen DC, die mit Allergen oder LPS stimuliert wurden, exprimierten diese leicht verstärkt IL-1β verglichen mit DC, die kein Alum erhielten.

A Computational Analysis of the Collision-Induced Dissociation Mechanisms of the Dipeptide Glycine-Serine Under Mass Spectrometry

Collision-induced dissociation (CID) of peptides using tandem mass spectrometry (MS) has been used to determine the identity of peptides and other large biological molecules. Mass spectrometry (MS) is a useful tool for determining the identity of molecules based on their interaction with electromagnetic fields. If coupled with another method like infrared (IR) vibrational spectroscopy, MS can provide structural information, but in its own right, MS can only provide the mass-to-charge (m/z) ratio of the fragments produced, which may not be enough information to determine the mechanism of the collision-induced dissociation (CID) of the molecule. In this case, theoretical calculations provide a useful companion for MS data and yield clues about the energetics of the dissociation. In this study, negative ion electrospray tandem MS was used to study the CID of the deprotonated dipeptide glycine-serine (Gly-Ser). Though negative ion MS is not as popular a choice as positive ion MS, studies by Bowie et al. show that it yields unique clues about molecular structure which complement positive ion spectroscopy, such as characteristic fragmentations like the loss of formaldehyde from the serine residue.2 The increase in the collision energy in the mass spectrometer alters the flexibility of the dipeptide backbone, enabling isomerizations (reactions not resulting in a fragment loss) and dissociations to take place. The mechanism of the CID of Gly-Ser was studied using two computational methods, B3LYP/6-311+G* and M06-2X/6-311++G**. The main pathway for molecular dissociation was analyzed in 5 conformers in an attempt to verify the initial mechanism proposed by Dr. James Swan after examination of the MS data. The results suggest that the loss of formaldehyde from serine, which Bowie et al. indicates is a characteristic of the presence of serine in a protein residue, is an endothermic reaction that is made possible by the conversion of the translational energy of the ion into internal energy as the ion collides with the inert collision gas. It has also been determined that the M06-2X functional¿s improved description of medium and long-range correlation makes it more effective than the B3LYP functional at finding elusive transition states. M06-2X also more accurately predicts the energy of those transition states than does B3LYP. A second CID mechanism, which passes through intermediates with the same m/z ratio as the main pathway for molecular dissociation, but different structures, including a diketopiperazine intermediate, was also studied. This pathway for molecular dissociation was analyzed with 3 conformers and the M06-2X functional, due to its previously determined effectiveness. The results suggest that the latter pathway, which meets the same intermediate masses as the first mechanism, is lower in overall energy and therefore a more likely pathway of dissociation than the first mechanism.

Optical properties of rabbit brain in the red and near-infrared: changes observed under in vivo, postmortem, frozen, and formalin-fixated conditions.

The outcome of light-based therapeutic approaches depends on light propagation in biological tissues, which is governed by their optical properties. The objective of this study was to quantify optical properties of brain tissue in vivo and postmortem and assess changes due to tissue handling postmortem. The study was carried out on eight female New Zealand white rabbits. The local fluence rate was measured in the VIS/NIR range in the brain in vivo, just postmortem, and after six weeks’ storage of the head at −20∘C or in 10% formaldehyde solution. Only minimal changes in the effective attenuation coefficient μeff were observed for two methods of sacrifice, exsanguination or injection of KCl. Under all tissue conditions, μeff decreased with increasing wavelengths. After long-term storage for six weeks at −20∘C, μeff decreased, on average, by 15 to 25% at all wavelengths, while it increased by 5 to 15% at all wavelengths after storage in formaldehyde. We demonstrated that μeff was not very sensitive to the method of animal sacrifice, that tissue freezing significantly altered tissue optical properties, and that formalin fixation might affect the tissue’s optical properties.

THE EQUILIBRIUM CONSTANT FOR THE GLYCINE SYNTHASE REACTION (ONE-CARBON, METABOLISM, FOLATE)

The equilibrium constant (K(,c)) under physiological conditions (38(DEGREES)C, 0.25 M ionic strength (I), pH 7.0) for the glycine synthase (GS) reaction (E C 2.1.2.1.0) (Equation 1) has been determined. (UNFORMATTED TABLE FOLLOWS)^ 5,10-CH(,2)-H(,4)Folate NADH NH (,4)+ CO(,2) ^ K(,c) = Eq. 1^ H(,4)Folate NAD('+) GLY ^(TABLE ENDS)^ The enzymatic instability of the GS enzyme complex itself has made it necessary to determine the overall K(,c) from the product of constants for the partial reactions of GS determined separately under the same conditions. The partial reactions are the H(,4)Folate-formaldehyde (CH(,2)(OH)(,2)) condensation reaction (Reaction 1) the K(,c) for which has been reported by this laboratory (3.0 x 10('4)), the lipoate (LipS(,2)) dehydrogenase reaction (LipDH) (Reaction 2) and the Gly-Lip^ decarboxylase reaction (Reaction 3) forming reduced lipoate (Lip(SH)(,2)), NH(,4)('+), CO(,2) and CH(,2)(OH)(,2.) (UNFORMATTED TABLE FOLLOWS)(,)^ H(,4)Fote + CH(,2)(OH)(,2) 5,10-CH(,2)-H(,4)Folate (1)^ Lip(SH)(,2) + NAD('+) LipS(,2) + NADH + H('+) (2)^ H('+) + Gly + LipS(,2) Lip(SH)(,2) + NH(,4)('+) CO(,2) + CH(,2)(OH)(,2) (3)^(TABLE ENDS)^ In this work the K(,c) for Reactions 2 and 3 are reported.^ The K(,c)' for the LipDH reaction described by other authors was reported with unexplainable conclusions regarding the pH depend- ence for the reaction. These conclusions would imply otherwise unexpected acid dissociation constants for reduced and oxidized lipoate. The pK(,a)',s for these compounds have been determined to resolve discrepancy. The conclusions are as follows: (1) The K(,c) for the LipDH reaction is 2.08 x 10('-8); (2) The pK(,a)',s for Lip(SH)(,2) are 4.77(-COOH), 9.91(-SH), 11.59(-SH); for LipS(,2) the carboxyl pK(,a)' is 4.77; (3) Contrary to previous literature, the log K(,c)' for the LipDH reaction is a linear function of the pH, a conclusion supported by the values for the dissociation constants.^ The K(,c) for Reaction 3 is the product of constants for Reactions 4-7. (UNFORMATTED TABLE FOLLOWS)^ LipSHSCH(,2)OH + H(,2)O Lip(SH)(,2) + CH(,2)(OH)(,2) (4)^ H(,2)O + LipSHSCH(,2)NH(,3)('+) LipSHSCH(,2)OH + NH(,4)('+) (5)^ LipSHSCH(,2)NH(,2) + H('+) LipSHSCH(,2)NH(,3)('+) (6)^ Gly + LipS(,2) LipSHSCH(,2)NH(,2) + CO(,2) (7)^(TABLE ENDS)^ Reactions 4-6 are non-enzymatic reactions whose constants were determined spectrophotometrically. Reaction 7 was catalyzed by the partially purified P-protein of GS with equilibrium approached from both directions. The value for K(,c) for this reaction is 8.15 x 10('-3). The combined K(,c) for Reactions 4-7 or Reaction 3 is 2.4 M.^ The overall K(,c) for the GS reaction determined by combination of values for Reactions 1-3 is 1.56 x 10('-3). ^

Optimization of a DNSH passive sampling method to measure airborne carbonyls

Various airborne aldehydes and ketones (i.e., airborne carbonyls) present in outdoor, indoor, and personal air pose a risk to human health at present environmental concentrations. To date, there is no adequate, simple-to-use sampler for monitoring carbonyls at parts per billion concentrations in personal air. The Passive Aldehydes and Ketones Sampler (PAKS) originally developed for this purpose has been found to be unreliable in a number of relatively recent field studies. The PAKS method uses dansylhydrazine, DNSH, as the derivatization agent to produce aldehyde derivatives that are analyzed by HPLC with fluorescence detection. The reasons for the poor performance of the PAKS are not known but it is hypothesized that the chemical derivatization conditions and reaction kinetics combined with a relatively low sampling rate may play a role. This study evaluated the effect of absorption and emission wavelengths, pH of the DNSH coating solution, extraction solvent, and time post-extraction for the yield and stability of formaldehyde, acetaldehyde, and acrolein DNSH derivatives. The results suggest that the optimum conditions for the analysis of DNSHydrazones are the following. The excitation and emission wavelengths for HPLC analysis should be at 250nm and 500nm, respectively. The optimal pH of the coating solution appears to be pH 2 because it improves the formation of di-derivatized acrolein DNSHydrazones without affecting the response of the derivatives of the formaldehyde and acetaldehyde derivatives. Acetonitrile is the preferable extraction solvent while the optimal time to analyze the aldehyde derivatives is 72 hours post-extraction. ^