A farm-level programming model to compare the atmospheric impact of conventional and organic farming

A model is developed to represent the activity of a farm using the method of linear programming. Two are the main components of the model, the balance of soil fertility and the livestock nutrition. According to the first, the farm is supposed to have a total requirement of nitrogen, which is to be accomplished either through internal sources (manure) or through external sources (fertilisers). The second component describes the animal husbandry as having a nutritional requirement which must be satisfied through the internal production of arable crops or the acquisition of feed from the market. The farmer is supposed to maximise total net income from the agricultural and the zoo-technical activities by choosing one rotation among those available for climate and acclivity. The perspective of the analysis is one of a short period: the structure of the farm is supposed to be fixed without possibility to change the allocation of permanent crops and the amount of animal husbandry. The model is integrated with an environmental module that describes the role of the farm within the carbon-nitrogen cycle. On the one hand the farm allows storing carbon through the photosynthesis of the plants and the accumulation of carbon in the soil; on the other some activities of the farm emit greenhouse gases into the atmosphere. The model is tested for some representative farms of the Emilia-Romagna region, showing to be capable to give different results for conventional and organic farming and providing first results concerning the different atmospheric impact. Relevant data about the representative farms and the feasible rotations are extracted from the FADN database, with an integration of the coefficients from the literature.

Computational strategies to include protein flexibility in Ligand Docking and Virtual Screening

The dynamic character of proteins strongly influences biomolecular recognition mechanisms. With the development of the main models of ligand recognition (lock-and-key, induced fit, conformational selection theories), the role of protein plasticity has become increasingly relevant. In particular, major structural changes concerning large deviations of protein backbones, and slight movements such as side chain rotations are now carefully considered in drug discovery and development. It is of great interest to identify multiple protein conformations as preliminary step in a screening campaign. Protein flexibility has been widely investigated, in terms of both local and global motions, in two diverse biological systems. On one side, Replica Exchange Molecular Dynamics has been exploited as enhanced sampling method to collect multiple conformations of Lactate Dehydrogenase A (LDHA), an emerging anticancer target. The aim of this project was the development of an Ensemble-based Virtual Screening protocol, in order to find novel potent inhibitors. On the other side, a preliminary study concerning the local flexibility of Opioid Receptors has been carried out through ALiBERO approach, an iterative method based on Elastic Network-Normal Mode Analysis and Monte Carlo sampling. Comparison of the Virtual Screening performances by using single or multiple conformations confirmed that the inclusion of protein flexibility in screening protocols has a positive effect on the probability to early recognize novel or known active compounds.

Implications of regional fault distribution and kinematics for the uplift of rift flanks around the Rwenzori Mountains, Southwestern Uganda

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Störungsverteilung und der Störungskinematik im Zusammenhang mit der Hebung der Riftschultern des Rwenzori Gebirges.rnDas Rwenzori Gebirge befindet sich im NNE-SSWbis N-S verlaufenden Albertine Rift, des nördlichsten Segments des westlichen Armes des Ostafrikanischen Grabensystems. Das Albertine Rift besteht aus Becken unterschiedlicher Höhe, die den Lake Albert, Lake Edward, Lake George und Lake Kivu enthalten. Der Rwenzori horst trennt die Becken des Lake Albert und des Lake Edward. Es erstreckt sich 120km in N-S Richtung, sowie 40-50km in E-W Richtung, der h¨ochste Punkt befindet sich 5111 ü. NN. Diese Studie untersucht einen Abschnitt des Rifts zwischen etwa 1°N und 0°30'S Breite sowie 29°30' und 30°30' östlicher Länge ersteckt. Auch die Feldarbeit konzentrierte sich auf dieses Gebiet.rnrnHauptzweck dieser Studie bestand darin, die folgende These auf ihre Richtigkeit zu überprüfen: ’Wenn es im Verlauf der Zeit tatsächlich zu wesentlichen Änderungen in der Störungskinematik kam, dann ist die starke Hebung der Riftflanken im Bereich der Rwenzoris nicht einfach durch Bewegung entlang der Graben-Hauptst¨orungen zu erklären. Vielmehr ist sie ein Resultat des Zusammenspiels mehrerer tektonische Prozesse, die das Spannungsfeld beeinflussen und dadurch Änderungen in der Kinematik hervorrufen.’ Dadurch konzentrierte sich die Studie in erster Linie auf die Störungsanalyse.rnrnDie Kenntnis regionaler Änderungen der Extensionsrichtung ist entscheidend für das Verständnis komplexer Riftsysteme wie dem Ostafrikanischen Graben. Daher bestand der Kern der Untersuchung in der Kartierung von Störungen und der Untersuchung der Störungskinematik. Die Aufnahme strukturgeologischer Daten konzentrierte sich auf die Ugandische Seite des Rifts, und Pal¨aospannungen wurden mit Hilfe von St¨orungsdaten durch Spannungsinversion rekonstruiert.rnDie unterschiedliche Orientierung spr¨oder Strukturen im Gelände, die geometrische Analyse der geologischen Strukturen sowie die Ergebnisse von Mikrostrukturen im Dünnschliff (Kapitel 4) weisen auf verschiedene Spannungsfelder hin, die auf mögliche Änderungen der Extensionsrichtung hinweisen. Die Resultate der Spannungsinversion sprechen für Ab-, Über- und Blattverschiebungen sowie für Schrägüberschiebungen (Kapitel 5). Aus der Orientierung der Abschiebungen gehen zwei verschiedene Extensionsrichtungen hervor: im Wesentlichen NW-SE Extension in fast allen Gebieten, sowie NNE-SSW Extension im östlichen Zentralbereich.rnAus der Analyse von Blattverschiebungen ergaben sich drei unterschiedliche Spannungszustände. Zum Einen NNW-SSE bis N-S Kompression in Verbindung mit ENE-WSW bzw E-W Extension wurde für die nördlichen und die zentralen Ruwenzoris ausgemacht. Ein zweiter Spannungszustand mit WNW-ESE Kompression/NNE-SSW Extension betraf die Zentralen Rwenzoris. Ein dritter Spannungszustand mit NNW-SSE Extension betraf den östlichen Zentralteil der Rwenzoris. Schrägüberschiebungen sind durch dazu schräge Achsen charakterisiert, die für N-S bis NNW-SSE Kompression sprechen und ausschließlich im östlichen Zentralabschnitt auftreten. Überschiebungen, die hauptsächlich in den zentralen und den östlichen Rwenzoris auftreten, sprechen für NE-SW orientierten σ2-Achsen und NW-SE Extension.rnrnEs konnten drei unterschiedliche Spannungseinflüsse identifiziert werden: auf die kollisionsbedingte Bildung eines Überschiebungssystem folgte intra-kratonische Kompression und schließlich extensionskontrollierte Riftbildung. Der Übergang zwischen den beiden letztgenannten Spannungszuständen erfolgte Schrittweise und erzeugte vermutlich lokal begrenzte Transpression und Transtension. Gegenw¨artig wird die Störungskinematik der Region durch ein tensiles Spannungsregime in NW-SE bis N-S Richtung bestimmt.rnrnLokale Spannungsvariationen werden dabei hauptsächlich durch die Interferenzrndes regionalen Spannungsfeldes mit lokalen Hauptst¨orungen verursacht. Weitere Faktoren die zu lokalen Veränderungen des Spannungsfeldes führen können sind unterschiedliche Hebungsgeschwindigkeiten, Blockrotation oder die Interaktion von Riftsegmenten. Um den Einfluß präexistenter Strukturen und anderer Bedingungen auf die Hebung der Rwenzoris zu ermitteln, wurde der Riftprozeß mit Hilfe eines analogen ’Sandbox’-Modells rekonstruiert (Kapitel 6). Da sich die Moho-Diskontinuität im Bereich des Arbeitsgebietes in einer Tiefe von 25 km befindet, aktive Störungen aber nur bis zu einer Tiefe von etwa 20 km beobachtet werden können (Koehn et al. 2008), wurden nur die oberen 25 km im Modell nachbebildet. Untersucht und mit Geländebeobachtungen verglichen wurden sowohl die Reihenfolge, in der Riftsegmente entstehen, als auch die Muster, die sich im Verlauf der Nukleierung und des Wachstums dieser Riftsegmente ausbilden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Entwicklung der beiden Subsegmente gelegt auf denen sich der Lake Albert bzw. der Lake Edward und der Lake George befinden, sowie auf das dazwischenliegende Rwenzori Gebirge. Das Ziel der Untersuchung bestand darin herauszufinden, in welcher Weise das südwärts propagierende Lake Albert-Subsegment mit dem sinistral versetzten nordwärts propagierenden Lake Edward/Lake George-Subsegment interagiert.rnrnVon besonderem Interesse war es, in welcherWeise die Strukturen innerhalb und außerhalb der Rwenzoris durch die Interaktion dieser Riftsegmente beeinflußt wurden. rnrnDrei verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Randbedingungen wurden miteinander verglichen. Abhängig vom vorherrschenden Deformationstyp der Transferzone wurden die Reihen als ’Scherungs-dominiert’, ’Extensions-dominiert’ und als ’Rotations-dominiert’ charakterisiert. Die Beobachtung der 3-dimensionalen strukturellen Entwicklung der Riftsegmente wurde durch die Kombination von Modell-Aufsichten mit Profilschnitten ermöglicht. Von den drei genannten Versuchsreihen entwickelte die ’Rotationsdominierten’ Reihe einen rautenförmiger Block im Tranferbereich der beiden Riftsegmente, der sich um 5−20° im Uhrzeigersinn drehte. DieserWinkel liegt im Bereich des vermuteten Rotationswinkel des Rwenzori-Blocks (5°). Zusammengefasst untersuchen die Sandbox-Versuche den Einfluss präexistenter Strukturen und der Überlappung bzw. Überschneidung zweier interagierender Riftsegmente auf die Entwicklung des Riftsystems. Sie befassen sich darüber hinaus mit der Frage, welchen Einfluss Blockbildung und -rotation auf das lokale Stressfeld haben.

Using national FADN database to describe Italian farms and arable fields. A comparison of sustainability level between organic versus conventional regimes.

The study defines a new farm classification and identifies the arable land management. These aspects and several indicators are taken into account to estimate the sustainability level of farms, for organic and conventional regimes. The data source is Italian Farm Account Data Network (RICA) for years 2007-2011, which samples structural and economical information. An environmental data has been added to the previous one to better describe the farm context. The new farm classification describes holding by general informations and farm structure. The general information are: adopted regime and farm location in terms of administrative region, slope and phyto-climatic zone. The farm structures describe the presence of main productive processes and land covers, which are recorded by FADN database. The farms, grouped by homogeneous farm structure or farm typology, are evaluated in terms of sustainability. The farm model MAD has been used to estimate a list of indicators. They describe especially environmental and economical areas of sustainability. Finally arable lands are taken into account to identify arable land managements and crop rotations. Each arable land has been classified by crop pattern. Then crop rotation management has been analysed by spatial and temporal approaches. The analysis reports a high variability inside regimes. The farm structure influences indicators level more than regimes, and it is not always possible to compare the two regimes. However some differences between organic and conventional agriculture have been found. Organic farm structures report different frequency and geographical location than conventional ones. Also different connections among arable lands and farm structures have been identified.

Understanding block rotation of strike-slip fault zones: Paleomagnetic and structural approach

This thesis is focused on the paleomagnetic rotation pattern inside the deforming zone of strike-slip faults, and the kinematics and geodynamics describing it. The paleomagnetic investigation carried out along both the LOFZ and the fore-arc sliver (38º-42ºS, southern Chile) revealed an asymmetric rotation pattern. East of the LOFZ and adjacent to it, rotations are up to 170° clockwise (CW) and fade out ~10 km east of fault. West of the LOFZ at 42ºS (Chiloé Island) and around 39°S (Villarrica domain) systematic CCW rotations have been observed, while at 40°-41°S (Ranco-Osorno domain) and adjacent to the LOFZ CW rotations reach up to 136° before evolving to CCW rotations at ~30 km from the fault. These data suggest a directed relation with subduction interface plate coupling. Zones of high coupling yield to a wide deforming zone (~30 km) west of the LOFZ characterized by CW rotations. Low coupling implies a weak LOFZ and a fore-arc dominated by CCW rotations related to NW-sinistral fault kinematics. The rotation pattern is consistent with a quasi-continuous crust kinematics. However, it seems unlikely that the lower crust flux can control block rotation in the upper crust, considering the cold and thick fore-arc crust. I suggest that rotations are consequence of forces applied directly on both the block edges and along the main fault, within the upper crust. Farther south, at the Austral Andes (54°S) I measured the anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) of 22 Upper Cretaceous to Upper Eocene sites from the Magallanes fold-thrust belt internal domains. The data document continuous compression from the Early Cretaceous until the Late Oligocene. AMS data also show that the tectonic inversion of Jurassic extensional faults during the Late Cretaceous compressive phase may have controlled the Cenozoic kinematic evolution of the Magallanes fold-thrust belt, yielding slip partitioning.

Biologisch aktive Sekundärmetabolite aus Pflanzen und Pilzen : Phenanthro-Alkaloide ; phytotoxische Dioxolanone

Als Phenanthro-Alkaloide wird eine kleine Gruppe von pentacyclischen, auf dem Phenanthren-Strukturmotiv basierenden Indolizidinen sowie Chinolizidinen bezeichnet. Von Letztgenannten sind bisher fünf, von den homologen Phenanthroindolizidinen mehr als sechzig natürliche Vertreter gefunden worden. Das wohl bekannteste Alkaloid in dieser Gruppe ist das Indolizidin-Alkaloid Tylophorin, das beispielsweise aus Tylophora indica (Apocynaceae, "Hundsgiftgewächse") gewonnen werden kann. Tylophorin und verwandte Derivate besitzen potente biologische und physiologische Wirkungen. So entfalten sie sowohl antiinflammatorische als auch antineoplastische Effekte (wirksam auch bei MDR-Tumorzelllinien, MDR = "multi drug resistant").rnrnDas Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue Methoden zur Herstellung von Phenanthro-Alkaloiden und deren Derivaten zu entwickeln. Ausgehend von (S)-Prolin konnten sowohl (S)-(+)-Tylophorin (>99% ee) als auch ein bisher noch nicht beschriebenes Derivat, das sich durch eine deutlich geringere Lichtempfindlichkeit im Vergleich zu Tylophorin aus¬zeichnet, in 33%-iger Gesamtausbeute über neun lineare Stufen, hergestellt werden. Die Synthese von (R)-(-)-Tylophorin gelang in analoger Weise aus (R)-Prolin in 21%-iger Ausbeute (93% ee). Der Einsatz von Schutzgruppen war nicht notwendig.rnDer Schlüsselschritt ist in beiden Fällen eine Cyclisierung an eine C=N-Doppelbindung über freie Radikale, die bei der Synthese des neuen Derivats hochstereoselektiv zur Bildung des (13aS,14S) Diastereomers führt. Die Synthese von 7-Methoxycryptopleurin gelang durch eine ähnliche Synthesestrategie. rnrnZur Herstellung von Cryptopleurin ist zunächst ein neuer Syntheseweg für 9-(Hydroxymethyl)-2,3,6-trimethoxyphenanthren entwickelt worden. Dieser führt über den Aufbau eines Biphenylsystems durch palladiumkatalysierte Kreuzkupplung, eine anschließende COREY-FUCHS-Transformation und als Schlüsselschritt über eine Gold-NHC-Komplex katalysierte 6-endo-dig-Cyclisierung zum entsprechenden Phenanthren. Diese Ringschlussreaktion verläuft in gewünschter Weise regioselektiv unter Bildung des 2,3,6-trimethoxysubstituierten Phenanthrens. Die Bil¬dung des regioisomeren 2,3,8-Trimethoxyphenanthrens wird nicht beobachtet. Der Alkohol wird dann in fünf linearen Stufen (34%) in das Xanthogenat überführt, aus dem sich durch eine zweistufige Reaktionssequenz, bestehend aus einer Radikal¬cyclisierung nach ZARD und einer Reduktion mit LiAlH4 das extrem lichtempfindliche und hochtoxische Alkaloid (R)-(-)-Cryptopleurin gewinnen ließ (50%).rnNachdem beide Enantiomere und das Racemat von Tylophorin synthetisiert worden waren und zum Vergleich bereit standen, wurde Tylophorin aus Tylophora indica extrahiert. rnDie Motivation rührte unter anderem daher, dass in der bisherigen Literatur Unstimmigkeiten über das in der Natur vorkommende Enantiomer des Tylophorins herrschten. Vor Beginn dieser Arbeit ging man davon aus, dass in T. indica nur (R)-(-)-Tylophorin vorkommt und für die Diskrepanzen zwischen den berichteten Drehwerten von, aus Pflanzenmaterial isolierten und des synthetisierten Naturstoffs, dessen Zersetzung vor oder während der Messung verantwortlich ist. Dieser Effekt kann zwar auch beobachtet werden, jedoch trägt er nur in geringem Maße zur Erniederigung des Drehwertes bei. Schließlich sind Proben von synthetisiertem Tylophorin in gleichem Maße von der schnell eintretenden Oxidation des Alkaloids betroffen. Aus dem Rohextrakt ist Tylophorin durch RP-HPLC isoliert worden. Anschließend wurde die Probe mittels chiraler HPLC/MS analysiert. Durch den Vergleich mit den bereit stehenden synthetischen Proben von (R)- und (S)-Tylophorin konnte in dieser Arbeit erstmals experimentell belegt werden, dass es sich bei (−)-Tylophorin aus T. indica um ein scalemisches Gemisch im Verhältnis von 56:44 (R:S) handelt.rnrnDas Ziel dieses Teilprojektes war die Entwicklung einer Synthese für den bisher noch nicht synthetisch hergestellten phytotoxischen Sekundärmetabolit (+)-Phenguignardiasäure. Isoliert wurde diese Verbindung aus Guignardia bidwellii, dem Erreger der Schwarzfäule der Weinrebe. Die absolute Konfiguration des quartären Stereozentrums war zu Beginn dieser Arbeit nicht bekannt. Ausgehend von (R)-Phenylmilchsäure und 3-Phenylprop-2-in-1-ol gelang die Synthese beider Enantiomere des Dioxolanons in acht linearen Stufen. Sie liefert den experimentellen Beweis (ECD, Polarimetrie) für die (S)-Konfiguration von natürlicher (+)-Phenguignardiasäure.rnrn

Efficient subsequence alignment of time series

Zeitreihen sind allgegenwärtig. Die Erfassung und Verarbeitung kontinuierlich gemessener Daten ist in allen Bereichen der Naturwissenschaften, Medizin und Finanzwelt vertreten. Das enorme Anwachsen aufgezeichneter Datenmengen, sei es durch automatisierte Monitoring-Systeme oder integrierte Sensoren, bedarf außerordentlich schneller Algorithmen in Theorie und Praxis. Infolgedessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der effizienten Berechnung von Teilsequenzalignments. Komplexe Algorithmen wie z.B. Anomaliedetektion, Motivfabfrage oder die unüberwachte Extraktion von prototypischen Bausteinen in Zeitreihen machen exzessiven Gebrauch von diesen Alignments. Darin begründet sich der Bedarf nach schnellen Implementierungen. Diese Arbeit untergliedert sich in drei Ansätze, die sich dieser Herausforderung widmen. Das umfasst vier Alignierungsalgorithmen und ihre Parallelisierung auf CUDA-fähiger Hardware, einen Algorithmus zur Segmentierung von Datenströmen und eine einheitliche Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen.rnrnDer erste Beitrag ist eine vollständige CUDA-Portierung der UCR-Suite, die weltführende Implementierung von Teilsequenzalignierung. Das umfasst ein neues Berechnungsschema zur Ermittlung lokaler Alignierungsgüten unter Verwendung z-normierten euklidischen Abstands, welches auf jeder parallelen Hardware mit Unterstützung für schnelle Fouriertransformation einsetzbar ist. Des Weiteren geben wir eine SIMT-verträgliche Umsetzung der Lower-Bound-Kaskade der UCR-Suite zur effizienten Berechnung lokaler Alignierungsgüten unter Dynamic Time Warping an. Beide CUDA-Implementierungen ermöglichen eine um ein bis zwei Größenordnungen schnellere Berechnung als etablierte Methoden.rnrnAls zweites untersuchen wir zwei Linearzeit-Approximierungen für das elastische Alignment von Teilsequenzen. Auf der einen Seite behandeln wir ein SIMT-verträgliches Relaxierungschema für Greedy DTW und seine effiziente CUDA-Parallelisierung. Auf der anderen Seite führen wir ein neues lokales Abstandsmaß ein, den Gliding Elastic Match (GEM), welches mit der gleichen asymptotischen Zeitkomplexität wie Greedy DTW berechnet werden kann, jedoch eine vollständige Relaxierung der Penalty-Matrix bietet. Weitere Verbesserungen umfassen Invarianz gegen Trends auf der Messachse und uniforme Skalierung auf der Zeitachse. Des Weiteren wird eine Erweiterung von GEM zur Multi-Shape-Segmentierung diskutiert und auf Bewegungsdaten evaluiert. Beide CUDA-Parallelisierung verzeichnen Laufzeitverbesserungen um bis zu zwei Größenordnungen.rnrnDie Behandlung von Zeitreihen beschränkt sich in der Literatur in der Regel auf reellwertige Messdaten. Der dritte Beitrag umfasst eine einheitliche Methode zur Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen. Darauf aufbauend werden Distanzmaße auf der Rotationsgruppe SO(3) und auf der euklidischen Gruppe SE(3) behandelt. Des Weiteren werden speichereffiziente Darstellungen und gruppenkompatible Erweiterungen elastischer Maße diskutiert.

Occurrence and types of associated injuries in patients with fractures of the facial bones

PURPOSE: To identify the occurrence, types, and severity of associated injuries outside the facial region among patients diagnosed with facial fractures, and to analyze whether there are any factors related to associated injuries. MATERIALS AND METHODS: This was a cross-sectional study of 401 patients diagnosed with facial fractures during the 2-year period from 2003 to 2004. RESULTS: Associated injuries were observed in 101 patients (25.2%). The most common type of injury was a limb injury (13.5%), followed by brain (11.0%), chest (5.5%), spine (2.7%), and abdominal (0.8%) injuries. Multiple associated injuries were observed in 10% and polytrauma in 7.5%. The mortality rate was 0.2%. The occurrence of associated injury correlated significantly with trauma mechanism and fracture type; high-speed accidents and severe facial fractures were significant predictors of associated injury. CONCLUSIONS: Associated injuries are frequent among patients who have sustained facial fractures. The results underscore the importance of multiprofessional collaboration in diagnosis and sequencing of treatment, but also the importance of arranging appropriate clinical rotations for maxillofacial residents in training.

Testing the structural and cross-cultural validity of the KIDSCREEN-27 quality of life questionnaire

OBJECTIVES: The aim of this study is to assess the structural and cross-cultural validity of the KIDSCREEN-27 questionnaire. METHODS: The 27-item version of the KIDSCREEN instrument was derived from a longer 52-item version and was administered to young people aged 8-18 years in 13 European countries in a cross-sectional survey. Structural and cross-cultural validity were tested using multitrait multi-item analysis, exploratory and confirmatory factor analysis, and Rasch analyses. Zumbo's logistic regression method was applied to assess differential item functioning (DIF) across countries. Reliability was assessed using Cronbach's alpha. RESULTS: Responses were obtained from n = 22,827 respondents (response rate 68.9%). For the combined sample from all countries, exploratory factor analysis with procrustean rotations revealed a five-factor structure which explained 56.9% of the variance. Confirmatory factor analysis indicated an acceptable model fit (RMSEA = 0.068, CFI = 0.960). The unidimensionality of all dimensions was confirmed (INFIT: 0.81-1.15). Differential item functioning (DIF) results across the 13 countries showed that 5 items presented uniform DIF whereas 10 displayed non-uniform DIF. Reliability was acceptable (Cronbach's alpha = 0.78-0.84 for individual dimensions). CONCLUSIONS: There was substantial evidence for the cross-cultural equivalence of the KIDSCREEN-27 across the countries studied and the factor structure was highly replicable in individual countries. Further research is needed to correct scores based on DIF results. The KIDSCREEN-27 is a new short and promising tool for use in clinical and epidemiological studies.

Will Whole-Tree Harvest of Jack Pine (Pinus banksiana) deplete soil nutrients in low-productivity sand soils?

In 2009 and 2010 a study was conducted on the Hiawatha National Forest (HNF) to determine if whole-tree harvest (WTH) of jack pine would deplete the soil nutrients in the very coarse-textured Rubicon soil. WTH is restricted on Rubicon sand in order to preserve the soil fertility, but the increasing construction of biomass-fueled power plants is expected to increase the demand for forest biomass. The specific objectives of this study were to estimate biomass and nutrient content of above- and below-ground tree components in mature jack pine (Pinus banksiana) stands growing on a coarse-textured, low-productivity soil, determine pools of total C and N and exchangeable soil cations in Rubicon sand, and to compare the possible impacts of conventional stem-only harvest (CH) and WTH on soil nutrient pools and the implications for productivity of subsequent rotations. Four even-aged jack pine stands on Rubicon soil were studied. Allometric equations were used to estimate above-ground biomass and nutrients, and soil samples from each stand were taken for physical and chemical analysis. Results indicate that WTH will result in cation deficits in all stands, with exceptionally large Ca deficits occurring in two stands. Where a deficit does not occur, the cation surplus is small and, chemical weathering and atmospheric deposition is not anticipated to replace the removed cations. CH will result in a surplus of cations, and will likely not result in productivity declines during the first rotation. However even under CH, the surplus is small, and chemical weathering and atmospheric deposition will not supply enough cations for the second rotation.

Functional effect of FGF2- and FGF8-expanded ventral mesencephalic precursor cells in a rat model of Parkinson's disease

Ventral mesencephalic (VM) precursor cells are of interest in the search for transplantable dopaminergic neurons for cell therapy in Parkinson's disease (PD). In the present study we investigated the survival and functional capacity of in vitro expanded, primary VM precursor cells after intrastriatal grafting to a rat model of PD. Embryonic day 12 rat VM tissue was mechanically dissociated and cultured for 4 or 8 days in vitro (DIV) in the presence of FGF2 (20 ng/ml), FGF8 (20 ng/ml) or without mitogens (control). Cells were thereafter differentiated for 6 DIV by mitogen withdrawal and addition of serum. After differentiation, significantly more tyrosine hydroxylase-immunoreactive (TH-ir), dopamine-producing neurons were found in FGF2- and FGF8-expanded cultures compared to controls. Moreover, expansion for 4 DIV resulted in significantly more TH-ir cells than expansion for 8 DIV both for FGF2 (2.4 fold; P<0.001) and FGF8 (3.8 fold; P<0.001) treated cultures. The functional potential of the expanded cells (4 DIV) was examined after grafting into striatum of aged 6-hydroxydopamine-lesioned rats. Amphetamine-induced rotations performed 3, 6 and 9 weeks postgrafting revealed that grafts of FGF2-expanded cells induced a significantly faster and better functional recovery than grafts of FGF8-expanded cells or control cells (P<0.05 for both). Grafts of FGF2-expanded cells also contained significantly more TH-ir cells than grafts of FGF8-expanded cells (P<0.05) or control cells (P<0.01). In conclusion, FGF2-mediated pregrafting expansion of primary VM precursor cells considerably improves dopaminergic cell survival and functional restoration in a rat model of PD.

Small-scale timber stand management techniques : a case study of woodlots in Isangati, Tanzania

Small-scale village woodlots of less than 0.5ha are the preferred use of land for local farmers with extra land in the village of Isangati, a small community located in the southern highlands of Tanzania. Farmers view woodlots as lucrative investments that do not involve intensive labor or time. The climate is ideal for the types of trees grown and the risks are minimal with no serious threats from insects, fires, thieves, or grazing livestock. It was hypothesized that small-scale village woodlot owners were not maximizing timber outputs with their current timber stand management and harvesting techniques. Personal interviews were conducted over a five month period and field data was collected at each farmer’s woodlots over a seven month period. Woodlot field data included woodlot size, number of trees, tree species, tree height, dbh, age, and spacing. The results indicated that the lack of proper woodlot management techniques results in failure to fully capitalize on the investment of woodlots. While farmers should continue with their current harvesting rotations, some of the reasons for not maximizing tree growth include close spacing (2m x 2m), no tree thinning, extreme pruning (60% of tree), and little to no weeding. Through education and hands-on woodlot management workshops, the farmers could increase their timber output and value of woodlots.

RF-sputter fabrication of magnetic garnet thin films and simulation modeling for 1-D magnetic photonic crystal waveguide devices

One dimensional magnetic photonic crystals (1D-MPC) are promising structures for integrated optical isolator applications. Rare earth substituted garnet thin films with proper Faraday rotation are required to fabricate planar 1D-MPCs. In this thesis, flat-top response 1D-MPC was proposed and spectral responses and Faraday rotation were modeled. Bismuth substituted iron garnet films were fabricated by RF magnetron sputtering and structures, compositions, birefringence and magnetooptical properties were studied. Double layer structures for single mode propagation were also fabricated by sputtering for the first time. Multilayer stacks with multiple defects (phase shift) composed of Ce-YIG and GGG quarter-wave plates were simulated by the transfer matrix method. The transmission and Faraday rotation characteristics were theoretically studied. It is found that flat-top response, with 100% transmission and near 45o rotation is achievable by adjusting the inter-defect spacing, for film structures as thin as 30 to 35 μm. This is better than 3-fold reduction in length compared to the best Ce-YIG films for comparable rotations, thus allows a considerable reduction in size in manufactured optical isolators. Transmission bands as wide as 7nm were predicted, which is considerable improvement over 2 defects structure. Effect of repetition number and ratio factor on transmission and Faraday rotation ripple factors for the case of 3 and 4 defects structure has been discussed. Diffraction across the structure corresponds to a longer optical path length. Thus the use of guided optics is required to minimize the insertion losses in integrated devices. This part is discussed in chapter 2 in this thesis. Bismuth substituted iron garnet thin films were prepared by RF magnetron sputtering. We investigated or measured the deposition parameters optimization, crystallinity, surface morphologies, composition, magnetic and magnetooptical properties. A very high crystalline quality garnet film with smooth surface has been heteroepitaxially grown on (111) GGG substrate for films less than 1μm. Dual layer structures with two distinct XRD peaks (within a single sputtered film) start to develop when films exceed this thickness. The development of dual layer structure was explained by compositional gradient across film thickness, rather than strain gradient proposed by other authors. Lower DC self bias or higher substrate temperature is found to help to delay the appearance of the 2nd layer. The deposited films show in-plane magnetization, which is advantageous for waveguide devices application. Propagation losses of fabricated waveguides can be decreased by annealing in an oxygen atmosphere from 25dB/cm to 10dB/cm. The Faraday rotation at λ=1.55μm were also measured for the waveguides. FR is small (10° for a 3mm long waveguide), due to the presence of linear birefringence. This part is covered in chapter 4. We also investigated the elimination of linear birefringence by thickness tuning method for our sputtered films. We examined the compressively and tensilely strained films and analyze the photoelastic response of the sputter deposited garnet films. It has been found that the net birefringence can be eliminated under planar compressive strain conditions by sputtering. Bi-layer GGG on garnet thin film yields a reduced birefringence. Temperature control during the sputter deposition of GGG cover layer is critical and strongly influences the magnetization and birefringence level in the waveguide. High temperature deposition lowers the magnetization and increases the linear birefringence in the garnet films. Double layer single mode structures fabricated by sputtering were also studied. The double layer, which shows an in-plane magnetization, has an increased RMS roughness upon upper layer deposition. The single mode characteristic was confirmed by prism coupler measurement. This part is discussed in chapter 5.

Kalman Filter approaches on crane swing

The purpose of this study is to explore a Kalman Filter approach to estimating swing of crane-suspended loads. Measuring real-time swing is needed to implement swing damping control strategies where crane joints are used to remove energy from a swinging load. The typical solution to measuring swing uses an inertial sensor attached to the hook block. Measured hook block twist is used to resolve the other two sensed body rates into tangential and radial swing. Uncertainty in the twist measurement leads to inaccurate tangential and radial swing calculations and ineffective swing damping. A typical mitigation approach is to bandpass the inertial sensor readings to remove low frequency drift and high frequency noise. The center frequency of the bandpass filter is usually designed to track the load length and the pass band width set to trade off performance with damping loop gain. The Kalman Filter approach developed here allows all swing motions (radial, tangential and twist) to be measured without the use of a bandpass filter. This provides an alternate solution for swing damping control implementation. After developing a Kalman Filter solution for a two-dimensional swing scenario, the three-dimensional system is considered where simplifying assumptions, suggested by the two-dimensional study, are exploited. One of the interesting aspects of the three-dimensional study is the hook block twist model. Unlike the mass-independence of a pendulum's natural frequency, the twist natural frequency depends both on the pendulum length and the load’s mass distribution. The linear Kalman Filter is applied to experimental data demonstrating the ability to extract the individual swing components for complex motions. It should be noted that the three-dimensional simplifying assumptions preclude the ability to measure two "secondary" hook block rotations. The ability to segregate these motions from the primary swing degrees of freedom was illustrated in the two-dimensional study and could be included into the three-dimensional solution if they were found to be important for a particular application.

MAGNETO-PHOTONIC CRYSTALS FOR OPTICAL SENSING APPLICATIONS

Among the optical structures investigated for optical sensing purpose, a significant amount of research has been conducted on photonic crystal based sensors. A particular advantage of photonic crystal based sensors is that they show superior sensitivity for ultra-small volume sensing. In this study we investigate polarization changes in response to the changes in the cover index of magneto-optic active photonic band gap structures. One-dimensional photonic-band gap structures fabricated on iron garnet materials yield large polarization rotations at the band gap edges. The enhanced polarization effects serve as an excellent tool for chemical sensing showing high degree of sensitivity for photonic crystal cover refractive index changes. The one dimensional waveguide photonic crystals are fabricated on single-layer bismuth-substituted rare earth iron garnet films ((Bi, Y, Lu)3(Fe, Ga)5O12 ) grown by liquid phase epitaxy on gadolinium gallium garnet substrates. Band gaps have been observed where Bragg scattering conditions links forward-going fundamental waveguide modes to backscattered high-order waveguide modes. Large near-band-edge polarization rotations which increase progressively with backscattered-mode order have been experimentally demonstrated for multiple samples with different composition, film thickness and fabrication parameters. Experimental findings are supported by theoretical analysis of Bloch modes polarization states showing that large near stop-band edge rotations are induced by the magneto-photonic crystal. Theoretical and experimental analysis conducted on polarization rotation sensitivity to waveguide photonic crystal cover refractive index changes shows a monotonic enhancement of the rotation with cover index. The sensor is further developed for selective chemical sensing by employing Polypyrrole as the photonic crystal cover layer. Polypyrrole is one of the extensively studied conducting polymers for selective analyte detection. Successful detection of aqueous ammonia and methanol has been achieved with Polypyrrole deposited magneto-photonic crystals.