Measurement of forces between and within bilayers of neutral phospholipids

Phospholipids in water form lamellar phases made up of alternating layers of water and bimolecular lipid leaflets. Three complementary methods, osmotic, mechanical, and vapour pressures, were used to measure the work of removing water from lamellar phases composed of frozen dipalmitoylphosphatidylcholine ( DPPC ), melted DPPC, egg phosphatidylethanolamine or equimolar mixtures of DPPC and cholesterol ( DPPC/CHOL ), Concurrently the structural changes that resulted from this water removal were measured using X-ray diffraction. The work was divided into that which forces the bilayers together ( F ) and that which compresses the molecules together within the bilayers ( F )# A large repulsive force exists between bilayers composed of each of the lipids studied and this force increases exponentially as bilayer separation is decreased. F is affected by the nature of the head groups, conformation of the acyl chains and heterogeneity of these chains. In general all of the melted phosphatidylcholines ( melted DPPC, egg lecithin and DPPC/CHOL ) have large equilibrium separations in excess water resulting from large repulsive hydration forces between these bilayers. By comparison, egg PE has an increased attractive force, and frozen DPPC has a decreased hydration force; each results in smaller separations in water for these two lipids. The chemical potentials of the water between the bilayers for all these lipids lie on a continuum, indicating that interbilayer water cannot be characterized by two discrete states, usually referred to as "bound" or "non**bound". For all lipids studied a maximum of 25 % of the total work done on the system goes into deforming the bilayers. The method used here viii to separate repulsion from deformation, developed for us by v. A. Parsegian, provides a unique method for the measurement of lateral pressure of a bilayer and its modulus of deformability ( Y ). Lateral pressure is affected by the nature of the head group, conformation and heterogeneity of the acyl chains. For small changes in molecular surface area ( A ) near equilibrium, both melted and frozen DPPC have similar values for the deformability modulus. Thus in this regime it requires about the same force to change the angle of tilt of frozen chains as it does to compress the fluid bilayer. The introduction of cholesterol into bilayers of DPPC reduces dramatically the lateral pressure of the bilayers over a large range of molecular surface areas ( A ). The variation in the magnitude of bilayer repulsion with different phospholipids provides a basis for the mechanism of lipid segregation in mixed lipid systems and suggests that interacting heterogeneous membranes may influence or modulate the composition of the opposing membrane. The measurements of deformabilities of bilayers provides a direct comparison of them with the properties of monolayers.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Entropic system of daily mobility in a Metropolitan Area of Bogota, Colombia.

The fundamental diseconomy in the large metropolitan areas is the significant and sustained increase in travel time incurred by its inhabitants daily. Since a portion of the energy consumed in the daily mobility does not necessarily translate into individual and collective wealth, entropic systems have a feature which, as discussed for the case of Bogotá, does not have metropolitan institutions with the ability to redirect.

The construction of a professional identity for special needs teachers in the Italian high school system : a study on the Naples area.

T??tulo, resumen y palabras clave tambi??n en espa??ol

Developing a desertification indicator system for a small Mediterranean catchment: a case study from the Serra de Rodes, Alt Empordà, Catalunya, NE Spain

La desertificació és un problema de degradació de sòls de gran importància en regions àrides, semi-àrides i sub-humides, amb serioses conseqüències ambientals, socials i econòmiques com a resultat de l'impacte d'activitats humanes en combinació amb condicions físiques i medi ambientals desfavorables (UNEP, 1994). L'objectiu principal d'aquesta tesi va ser el desenvolupament d'una metodologia simple per tal de poder avaluar de forma precisa l'estat i l'evolució de la desertificació a escala local, a través de la creació d'un model anomenat sistema d'indicators de desertificació (DIS). En aquest mateix context, un dels dos objectius específics d'aquesta recerca es va centrar en l'estudi dels factors més importants de degradació de sòls a escala de parcel.la, comportant un extens treball de camp, analisi de laboratori i la corresponent interpretació i discussió dels resultats obtinguts. El segon objectiu específic es va basar en el desenvolupament i aplicació del DIS. L'àrea d'estudi seleccionada va ser la conca de la Serra de Rodes, un ambient típic Mediterràni inclòs en el Parc Natural del Cap de Creus, NE Espanya, el qual ha estat progressivament abandonat pels agricultors durant el segle passat. Actualment, els incendis forestals així com el canvi d'ús del sòl i especialment l'abandonament de terres són considerats els problemes ambientals més importants a l'àrea d'estudi (Dunjó et al., 2003). En primer lloc, es va realitzar l'estudi dels processos i causes de la degradació dels sòls a l'àrea d'interés. En base a aquest coneixement, es va dur a terme la identificació i selecció dels indicadors de desertificació més rellevants. Finalment, els indicadors de desertificació seleccionats a escala de conca, incloent l'erosió del sòl i l'escolament superficial, es van integrar en un model espaial de procés. Ja que el sòl és considerat el principal indicador dels processos d'erosió, segons la FAO/UNEP/UNESCO (1979), tant el paisatge original així com els dos escenaris d'ús del sòl desenvolupats, un centrat en el cas hipotétic del pas d'un incendi forestal, i l'altre un paisatge completament cultivat, poden ser ambients classificats sota baixa o moderada degradació. En comparació amb l'escenari original, els dos escenaris creats van revelar uns valors més elevats d'erosió i escolament superficial, i en particular l'escenari cultivat. Per tant, aquests dos hipotètic escenaris no semblen ser una alternativa sostenible vàlida als processos de degradació que es donen a l'àrea d'estudi. No obstant, un ampli ventall d'escenaris alternatius poden ser desenvolupats amb el DIS, tinguent en compte les polítiques d'especial interés per la regió de manera que puguin contribuir a determinar les conseqüències potencials de desertificació derivades d'aquestes polítiques aplicades en aquest escenari tan complexe espaialment. En conclusió, el model desenvolupat sembla ser un sistema força acurat per la identificació de riscs presents i futurs, així com per programar efectivament mesures per combatre la desertificació a escala de conca. No obstant, aquesta primera versió del model presenta varies limitacions i la necessitat de realitzar més recerca en cas de voler desenvolupar una versió futura i millor del DIS.

Assessing range-wide habitat suitability for the Lesser Prairie-Chicken

Population declines of many wildlife species have been linked to habitat loss incurred through land-use change. Incorporation of conservation planning into development planning may mitigate these impacts. The threatened Lesser Prairie-Chicken (Tympanuchus pallidicinctus) is experiencing loss of native habitat and high levels of energy development across its multijurisdictional range. Our goal was to explore relationships of the species occurrence with landscape characteristics and anthropogenic effects influencing its distribution through evaluation of habitat suitability associated with one particular habitat usage, lekking. Lekking has been relatively well-surveyed, though not consistently, in all jurisdictions. All five states in which Lesser Prairie-Chickens occur cooperated in development of a Maxent habitat suitability model. We created two models, one with state as a factor and one without state. When state was included it was the most important predictor, followed by percent of land cover consisting of known or suspected used vegetation classes within a 5000 m area around a lek. Without state, land cover was the most important predictor of relative habitat suitability for leks. Among the anthropogenic predictors, landscape condition, a measure of human impact integrated across several factors, was most important, ranking third in importance without state. These results quantify the relative suitability of the landscape within the current occupied range of Lesser Prairie-Chickens. These models, combined with other landscape information, form the basis of a habitat assessment tool that can be used to guide siting of development projects and targeting of areas for conservation.

Measurement of ionic calcium in milk

There are many reports in the literature regarding the effects of ionic calcium on reactions related to casein micelle stability, such as heat stability, ethanol stability and susceptibility to gelation, sediment formation and fouling. However, experimental evidence supporting these assertions is much less readily available. This paper evaluates three selective ion electrode systems for measuring ionic calcium directly in milk as well as looking at the effects on pH reduction and addition of calcium chloride. The best electrode system was the Ciba Corning 634 system, which was designed for blood but has been modified for milk. This was found to be reproducible and stable when calibrated daily and allowed direct measurements to be taken on milk in 70 s. This has been found to perform well now for 3 years. The other systems were not so useful, as they took longer to stabilize, but may be useful for higher ionic calcium concentrations, which are found in acidified milk products. Reducing the pH increased ionic calcium and reduced ethanol stability. Calcium chloride addition reduced pH, increased ionic calcium and reduced the ethanol stability. Readjusting the pH to its value before calcium addition reduced the ionic calcium, but not back to its original value. Milks from individual cows showed wide variations in their ionic calcium concentrations. This establishes the methodology for a more detailed investigation on measurement of ionic calcium in milks from individual cows and from bulk milks, to allow a better understanding of its role in casein micelle stability.

A metabolic system-wide characterisation of the pig: a model for human physiology

The pig is a single-stomached omnivorous mammal and is an important model of human disease and nutrition. As such, it is necessary to establish a metabolic framework from which pathology-based variation can be compared. Here, a combination of one and two-dimensional (1)H and (13)C nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and high-resolution magic angle spinning (HR-MAS) NMR was used to provide a systems overview of porcine metabolism via characterisation of the urine, serum, liver and kidney metabolomes. The metabolites observed in each of these biological compartments were found to be qualitatively comparable to the metabolic signature of the same biological matrices in humans and rodents. The data were modelled using a combination of principal components analysis and Venn diagram mapping. Urine represented the most metabolically distinct biological compartment studied, with a relatively greater number of NMR detectable metabolites present, many of which are implicated in gut-microbial co-metabolic processes. The major inter-species differences observed were in the phase II conjugation of extra-genomic metabolites; the pig was observed to conjugate p-cresol, a gut microbial metabolite of tyrosine, with glucuronide rather than sulfate as seen in man. These observations are important to note when considering the translatability of experimental data derived from porcine models.

A two-dimensional X-ray scattering system for in-situ time-resolving studies of polymer structures subjected to controlled deformations

A two-dimensional X-ray scattering system developed around a CCD-based area detector is presented, both in terms of hardware employed and software designed and developed. An essential feature is the integration of hardware and software, detection and sample environment control which enables time-resolving in-situ wide-angle X-ray scattering measurements of global structural and orientational parameters of polymeric systems subjected to a variety of controlled external fields. The development and operation of a number of rheometers purpose-built for the application of such fields are described. Examples of the use of this system in monitoring degrees of shear-induced orientation in liquid-crystalline systems and crystallization of linear polymers subsequent to shear flow are presented.

A flow system for the on-line quantitative measurement of the retention of dosage forms on biological surfaces using spectroscopy and image analysis

Measuring the retention, or residence time, of dosage forms to biological tissue is commonly a qualitative measurement, where no real values to describe the retention can be recorded. The result of this is an assessment that is dependent upon a user's interpretation of visual observation. This research paper outlines the development of a methodology to quantitatively measure, both by image analysis and by spectrophotometric techniques, the retention of material to biological tissues, using the retention of polymer solutions to ocular tissue as an example. Both methods have been shown to be repeatable, with the spectrophotometric measurement generating data reliably and quickly for further analysis.

Design and management of sustainable built environments

The United Nation Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) makes it clear that climate change is due to human activities and it recognises buildings as a distinct sector among the seven analysed in its 2007 Fourth Assessment Report. Global concerns have escalated regarding carbon emissions and sustainability in the built environment. The built environment is a human-made setting to accommodate human activities, including building and transport, which covers an interdisciplinary field addressing design, construction, operation and management. Specifically, Sustainable Buildings are expected to achieve high performance throughout the life-cycle of siting, design, construction, operation, maintenance and demolition, in the following areas: • energy and resource efficiency; • cost effectiveness; • minimisation of emissions that negatively impact global warming, indoor air quality and acid rain; • minimisation of waste discharges; and • maximisation of fulfilling the requirements of occupants’ health and wellbeing. Professionals in the built environment sector, for example, urban planners, architects, building scientists, engineers, facilities managers, performance assessors and policy makers, will play a significant role in delivering a sustainable built environment. Delivering a sustainable built environment needs an integrated approach and so it is essential for built environment professionals to have interdisciplinary knowledge in building design and management . Building and urban designers need to have a good understanding of the planning, design and management of the buildings in terms of low carbon and energy efficiency. There are a limited number of traditional engineers who know how to design environmental systems (services engineer) in great detail. Yet there is a very large market for technologists with multi-disciplinary skills who are able to identify the need for, envision and manage the deployment of a wide range of sustainable technologies, both passive (architectural) and active (engineering system),, and select the appropriate approach. Employers seek applicants with skills in analysis, decision-making/assessment, computer simulation and project implementation. An integrated approach is expected in practice, which encourages built environment professionals to think ‘out of the box’ and learn to analyse real problems using the most relevant approach, irrespective of discipline. The Design and Management of Sustainable Built Environment book aims to produce readers able to apply fundamental scientific research to solve real-world problems in the general area of sustainability in the built environment. The book contains twenty chapters covering climate change and sustainability, urban design and assessment (planning, travel systems, urban environment), urban management (drainage and waste), buildings (indoor environment, architectural design and renewable energy), simulation techniques (energy and airflow), management (end-user behaviour, facilities and information), assessment (materials and tools), procurement, and cases studies ( BRE Science Park). Chapters one and two present general global issues of climate change and sustainability in the built environment. Chapter one illustrates that applying the concepts of sustainability to the urban environment (buildings, infrastructure, transport) raises some key issues for tackling climate change, resource depletion and energy supply. Buildings, and the way we operate them, play a vital role in tackling global greenhouse gas emissions. Holistic thinking and an integrated approach in delivering a sustainable built environment is highlighted. Chapter two demonstrates the important role that buildings (their services and appliances) and building energy policies play in this area. Substantial investment is required to implement such policies, much of which will earn a good return. Chapters three and four discuss urban planning and transport. Chapter three stresses the importance of using modelling techniques at the early stage for strategic master-planning of a new development and a retrofit programme. A general framework for sustainable urban-scale master planning is introduced. This chapter also addressed the needs for the development of a more holistic and pragmatic view of how the built environment performs, , in order to produce tools to help design for a higher level of sustainability and, in particular, how people plan, design and use it. Chapter four discusses microcirculation, which is an emerging and challenging area which relates to changing travel behaviour in the quest for urban sustainability. The chapter outlines the main drivers for travel behaviour and choices, the workings of the transport system and its interaction with urban land use. It also covers the new approach to managing urban traffic to maximise economic, social and environmental benefits. Chapters five and six present topics related to urban microclimates including thermal and acoustic issues. Chapter five discusses urban microclimates and urban heat island, as well as the interrelationship of urban design (urban forms and textures) with energy consumption and urban thermal comfort. It introduces models that can be used to analyse microclimates for a careful and considered approach for planning sustainable cities. Chapter six discusses urban acoustics, focusing on urban noise evaluation and mitigation. Various prediction and simulation methods for sound propagation in micro-scale urban areas, as well as techniques for large scale urban noise-mapping, are presented. Chapters seven and eight discuss urban drainage and waste management. The growing demand for housing and commercial developments in the 21st century, as well as the environmental pressure caused by climate change, has increased the focus on sustainable urban drainage systems (SUDS). Chapter seven discusses the SUDS concept which is an integrated approach to surface water management. It takes into consideration quality, quantity and amenity aspects to provide a more pleasant habitat for people as well as increasing the biodiversity value of the local environment. Chapter eight discusses the main issues in urban waste management. It points out that population increases, land use pressures, technical and socio-economic influences have become inextricably interwoven and how ensuring a safe means of dealing with humanity’s waste becomes more challenging. Sustainable building design needs to consider healthy indoor environments, minimising energy for heating, cooling and lighting, and maximising the utilisation of renewable energy. Chapter nine considers how people respond to the physical environment and how that is used in the design of indoor environments. It considers environmental components such as thermal, acoustic, visual, air quality and vibration and their interaction and integration. Chapter ten introduces the concept of passive building design and its relevant strategies, including passive solar heating, shading, natural ventilation, daylighting and thermal mass, in order to minimise heating and cooling load as well as energy consumption for artificial lighting. Chapter eleven discusses the growing importance of integrating Renewable Energy Technologies (RETs) into buildings, the range of technologies currently available and what to consider during technology selection processes in order to minimise carbon emissions from burning fossil fuels. The chapter draws to a close by highlighting the issues concerning system design and the need for careful integration and management of RETs once installed; and for home owners and operators to understand the characteristics of the technology in their building. Computer simulation tools play a significant role in sustainable building design because, as the modern built environment design (building and systems) becomes more complex, it requires tools to assist in the design process. Chapter twelve gives an overview of the primary benefits and users of simulation programs, the role of simulation in the construction process and examines the validity and interpretation of simulation results. Chapter thirteen particularly focuses on the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation method used for optimisation and performance assessment of technologies and solutions for sustainable building design and its application through a series of cases studies. People and building performance are intimately linked. A better understanding of occupants’ interaction with the indoor environment is essential to building energy and facilities management. Chapter fourteen focuses on the issue of occupant behaviour; principally, its impact, and the influence of building performance on them. Chapter fifteen explores the discipline of facilities management and the contribution that this emerging profession makes to securing sustainable building performance. The chapter highlights a much greater diversity of opportunities in sustainable building design that extends well into the operational life. Chapter sixteen reviews the concepts of modelling information flows and the use of Building Information Modelling (BIM), describing these techniques and how these aspects of information management can help drive sustainability. An explanation is offered concerning why information management is the key to ‘life-cycle’ thinking in sustainable building and construction. Measurement of building performance and sustainability is a key issue in delivering a sustainable built environment. Chapter seventeen identifies the means by which construction materials can be evaluated with respect to their sustainability. It identifies the key issues that impact the sustainability of construction materials and the methodologies commonly used to assess them. Chapter eighteen focuses on the topics of green building assessment, green building materials, sustainable construction and operation. Commonly-used assessment tools such as BRE Environmental Assessment Method (BREEAM), Leadership in Energy and Environmental Design ( LEED) and others are introduced. Chapter nineteen discusses sustainable procurement which is one of the areas to have naturally emerged from the overall sustainable development agenda. It aims to ensure that current use of resources does not compromise the ability of future generations to meet their own needs. Chapter twenty is a best-practice exemplar - the BRE Innovation Park which features a number of demonstration buildings that have been built to the UK Government’s Code for Sustainable Homes. It showcases the very latest innovative methods of construction, and cutting edge technology for sustainable buildings. In summary, Design and Management of Sustainable Built Environment book is the result of co-operation and dedication of individual chapter authors. We hope readers benefit from gaining a broad interdisciplinary knowledge of design and management in the built environment in the context of sustainability. We believe that the knowledge and insights of our academics and professional colleagues from different institutions and disciplines illuminate a way of delivering sustainable built environment through holistic integrated design and management approaches. Last, but not least, I would like to take this opportunity to thank all the chapter authors for their contribution. I would like to thank David Lim for his assistance in the editorial work and proofreading.

Area-wide development viability appraisals: the concept of threshold land value within a UK planning context

Area-wide development viability appraisals are undertaken to determine the economic feasibility of policy targets in relation to planning obligations. Essentially, development viability appraisals consist of a series of residual valuations of hypothetical development sites across a local authority area at a particular point in time. The valuations incorporate the estimated financial implications of the proposed level of planning obligations. To determine viability the output land values are benchmarked against threshold land value and therefore the basis on which this threshold is established and the level at which it is set is critical to development viability appraisal at the policy-setting (area-wide) level. Essentially it is an estimate of the value at which a landowner would be prepared to sell. If the estimated site values are higher than the threshold land value the policy target is considered viable. This paper investigates the effectiveness of existing methods of determining threshold land value. They will be tested against the relationship between development value and costs. Modelling reveals that threshold land value that is not related to shifts in development value renders marginal sites unviable and fails to collect proportionate planning obligations from high value/low cost sites. Testing the model against national average house prices and build costs reveals the high degree of volatility in residual land values over time and underlines the importance of making threshold land value relative to the main driver of this volatility, namely development value.

A metabolic system-wide characterisation of the pig: a model for human physiology

The pig is a single-stomached omnivorous mammal and is an important model of human disease and nutrition. As such, it is necessary to establish a metabolic framework from which pathology-based variation can be compared. Here, a combination of one and two-dimensional 1H and 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and high-resolution magic angle spinning (HR-MAS) NMR was used to provide a systems overview of porcine metabolism via characterisation of the urine, serum, liver and kidney metabolomes. The metabolites observed in each of these biological compartments were found to be qualitatively comparable to the metabolic signature of the same biological matrices in humans and rodents. The data were modelled using a combination of principal components analysis and Venn diagram mapping. Urine represented the most metabolically distinct biological compartment studied, with a relatively greater number of NMR detectable metabolites present, many of which are implicated in gut-microbial co-metabolic processes. The major interspecies differences observed were in the phase II conjugation of extra-genomic metabolites; the pig was observed to conjugate p-cresol, a gut microbial metabolite of tyrosine, with glucuronide rather than sulfate as seen in man. These observations are important to note when considering the translatability of experimental data derived from porcine models.

Energy-efficient hybrid system for Wireless Body Area Network Applications

Wireless Body Area Networks (WBANs) consist of a number of miniaturized wearable or implanted sensor nodes that are employed to monitor vital parameters of a patient over long duration of time. These sensors capture physiological data and wirelessly transfer the collected data to a local base station in order to be further processed. Almost all of these body sensors are expected to have low data-rate and to run on a battery. Since recharging or replacing the battery is not a simple task specifically in the case of implanted devices such as pacemakers, extending the lifetime of sensor nodes in WBANs is one of the greatest challenges. To achieve this goal, WBAN systems employ low-power communication transceivers and low duty cycle Medium Access Control (MAC) protocols. Although, currently used MAC protocols are able to reduce the energy consumption of devices for transmission and reception, yet they are still unable to offer an ultimate energy self-sustaining solution for low-power MAC protocols. This paper proposes to utilize energy harvesting technologies in low-power MAC protocols. This novel approach can further reduce energy consumption of devices in WBAN systems.

Geophysical characterization of the complex dynamics of groundwater and seawater exchange in a highly stressed aquifer system linked to a coastal lagoon (SE Spain)

Anthropogenic pressure influences the two-way interactions between shallow aquifers and coastal lagoons. Aquifer overexploitation may lead to seawater intrusion, and aquifer recharge from rainfall plus irrigation may, in turn, increase the groundwater discharge into the lagoon. We analyse the evolution, since the 1950s up to the present, of the interactions between the Campo de Cartagena Quaternary aquifer and the Mar Menor coastal lagoon (SE Spain). This is a very heterogeneous and anisotropic detrital aquifer, where aquifer–lagoon interface has a very irregular geometry. Using electrical resistivity tomography, we clearly identified the freshwater–saltwater transition zone and detected areas affected by seawater intrusion. Severity of the intrusion was spatially variable and significantly related to the density of irrigation wells in 1950s–1960s, suggesting the role of groundwater overexploitation. We distinguish two different mechanisms by which water from the sea invades the land: (a) horizontal advance of the interface due to a wide exploitation area and (b) vertical rise (upconing) caused by local intensive pumping. In general, shallow parts of the geophysical profiles show higher electrical resistivity associated with freshwater mainly coming from irrigation return flows, with water resources mostly from deep confined aquifers and imported from Tagus river, 400 km north. This indicates a likely reversal of the former seawater intrusion process.