Polymer controlled mineralization of zinc phosphate hydrates and applications in corrosion protection, catalysis and biomedicine

ZUSAMMENFASSUNG Die Tauglichkeit von Hybridmaterialien auf der Basis von Zinkphosphathydrat-Zementen zum Einsatz als korrosionshemmende anorganische Pigmente oder zur prothetischen und konservierenden Knochen- und Zahntherapie wird weltweit empirisch seit den neunziger Jahren intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Referenzproben, d.h. alpha-und beta-Hopeite (Abk. a-,b-ZPT) dank eines hydrothermalen Kristallisationsverfahrens in wässerigem Milieu bei 20°C und 90°C hergestellt. Die Kristallstruktur beider Polymorphe des Zinkphosphattetrahydrats Zn3(PO4)2  4 H2O wurde komplett bestimmt. Einkristall-strukturanalyse zeigt, daß der Hauptunterschied zwischen der alpha-und beta-Form des Zinkphosphattetrahydrats in zwei verschiedenen Anordnungen der Wasserstoffbrücken liegt. Die entsprechenden drei- und zweidimensionalen Anordnungen der Wasserstoffbrücken der a-und b-ZPT induzieren jeweils unterschiedliches thermisches Verhalten beim Aufwärmen. Während die alpha-Form ihr Kristallwasser in zwei definierten Stufen verliert, erzeugt die beta-Form instabile Dehydratationsprodukt. Dieses entspricht zwei unabhängigen, aber nebeneinander ablaufenden Dehydratationsmechanismen: (i) bei niedrigen Heizraten einen zweidimensionalen Johnson-Mehl-Avrami (JMA) Mechanismus auf der (011) Ebene, der einerseits bevorzugt an Kristallkanten stattfindet und anderseits von existierenden Kristalldefekten auf Oberflächen gesteuert wird; (ii) bei hohen Heizraten einem zweidimensionalen Diffusionsmechanismus (D2), der zuerst auf der (101) Ebene und dann auf der (110) Ebene erfolgt. Durch die Betrachtung der ZPT Dehydratation als irreversibele heterogene Festkörperstufenreaktion wurde dank eines „ähnlichen Endprodukt“-Protokolls das Dehydratationsphasendiagramm aufgestellt. Es beschreibt die möglichen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Hydratationszuständen und weist auf die Existenz eines Übergangszustandes um 170°C (d.h. Reaktion b-ZPT  a-ZPT) hin. Daneben wurde auch ein gezieltes chemisches Ätzverfahren mit verdünnten H3PO4- und NH3 Lösungen angewendet, um die ersten Stufe des Herauslösens von Zinkphosphat genau zu untersuchen. Allerdings zeigen alpha- und beta-Hopeite charakteristische hexagonale und kubische Ätzgruben, die sich unter kristallographischer Kontrolle verbreitern. Eine zuverlässige Beschreibung der Oberfächenchemie und Topologie konnte nur durch AFM und FFM Experimente erfolgen. Gleichzeitig konnte in dieser Weise die Oberflächendefektdichte und-verteilung und die Volumenauflösungsrate von a-ZPT und b-ZPT bestimmt werden. Auf einem zweiten Weg wurde eine innovative Strategie zur Herstellung von basischen Zinkphosphatpigmenten erster und zweiter Generation (d.h. NaZnPO4  1H2O und Na2ZnPO4(OH)  2H2O) mit dem Einsatz von einerseits oberflächenmodifizierten Polystyrolatices (z.B. produziert durch ein Miniemulsionspolymerisationsverfahren) und anderseits von Dendrimeren auf der Basis von Polyamidoamid (PAMAM) beschritten. Die erhaltene Zeolithstruktur (ZPO) hat in Abhängigkeit von steigendem Natrium und Wassergehalt unterschiedliche kontrollierte Morphologie: hexagonal, würfelförmig, herzförmig, sechsarmige Sterne, lanzettenförmige Dendrite, usw. Zur quantitativen Evaluierung des Polymereinbaus in der Kristallstruktur wurden carboxylierte fluoreszenzmarkierte Latices eingesetzt. Es zeigt sich, daß Polymeradditive nicht nur das Wachstum bis zu 8 µm.min-1 reduzierten. Trotzdem scheint es auch als starker Nukleationsbeschleuniger zu wirken. Dank der Koordinationschemie (d.h. Bildung eines sechszentrigen Komplexes L-COO-Zn-PO4*H2O mit Ligandenaustausch) konnten zwei einfache Mechanismen zur Wirkung von Latexpartikeln bei der ZPO Kristallisation aufgezeigt werden: (i) ein Intrakorona- und (ii) ein Extrakorona-Keimbildungsmechanismus. Weiterhin wurde die Effizienz eines Kurzzeit- und Langzeitkorrosionschutzes durch maßgeschneiderte ZPO/ZPT Pigmente und kontrollierte Freisetzung von Phosphationen in zwei Näherungen des Auslösungsgleichgewichts abgeschätzt: (i) durch eine Auswaschungs-methode (thermodynamischer Prozess) und (ii) durch eine pH-Impulsmethode (kinetischer Prozess. Besonders deutlich wird der Ausflösungs-Fällungsmechanismus (d.h. der Metamorphismus). Die wesentliche Rolle den Natriumionen bei der Korrosionshemmung wird durch ein passendes zusammensetzungsabhängiges Auflösungsmodell (ZAAM) beschrieben, das mit dem Befund des Salzsprühteste und der Feuchtigkeitskammertests konsistent ist. Schließlich zeigt diese Arbeit das herausragende Potential funktionalisierter Latices (Polymer) bei der kontrollierten Mineralisation zur Herstellung maßgeschneiderter Zinkphosphat Materialien. Solche Hybridmaterialien werden dringend in der Entwicklung umweltfreundlicher Korrosionsschutzpigmente sowie in der Dentalmedizin benötigt.

Kontrollierte Fällung von amorphem Calciumcarbonat durch homogene Carbonatfreisetzung

In der Vergangenheit haben Untersuchung an biologischen und Modell-Systemen gezeigt, dass amorphes Calciumcarbonat als instabiles Zwischenprodukt bei der Bildung kristalliner Strukturen aus CaCO3 auftritt. Über dessen Rolle im Fällungsprozess von CaCO3 ist nicht viel bekannt und es wird davon ausgegangen, dass es als CaCO3-Speicher für die nachfolgenden kristallinen Produkte dient. Der genaue Reaktionsablauf, der zur Bildung von amorphem Calciumcarbonat (ACC) führt, ist nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Fällungstechnik, die die Beobachtung der Bildungskinetik von ACC durch Lichtstreuung ermöglicht. In Fällungsexperimenten wird gezeigt, dass die Fällung unter nicht-turbulenten Bedingungen zur Bildung von amorphem Calciumcarbonat führt. Hinsichtlich der Basen- und Alkylcarbonatmenge, die äquivalent oder im Überschuss zur Calciumionenkonzentration eingesetzt wird, entstehen zwei verschiedene Fällungsprodukte. In Bezug auf ihre chemische Zusammensetzung, thermische und mechanische Eigenschaften werden diese charakterisiert. In beiden Fällen wird ein amorphes CaCO3 mit einem Wassergehalt von 0,5 mol/L pro Mol CaCO3 erhalten. Die in situ Generierung von Carbonat führt zur Bildung von sphärischem amorphem Calciumcarbonat, das eine gewisse Tendenz zur Koazervation zeigt. Die bei gleichem Reaktionsumsatz beobachtete Temperaturabhängigkeit des Partikelradius konnten wir unter Annahme einer Mischungslücke mit unterer kritischer Mischungstemperatur interpretieren. Für die Bildung von amorphem Calciumcarbonat schlagen wir daher einen Mechanismus via binodaler flüssig-flüssig Entmischung vor. Nach einer kurzen Keimbildungsperiode können flüssige Tröpfchen aus wasserhaltigem CaCO3 wachsen und dann infolge von stetigem Wasserverlust glasartig erstarren und so amorphes Calciumcarbonat bilden. Bekräftigt wird dieses Modell durch die Wachstumskinetik, die mittels Lichtstreuung und SAXS verfolgt worden ist. In den Fällungsversuchen sind je nach Reaktionsbedingungen, zwei verschiedene Zeitgesetze des Teilchenwachstums erkennbar: Bei schneller Freisetzung von Carbonat liegt ein parabolischer Verlauf des Radienwachstums vor; hingegen führt eine langsame Freisetzung von Carbonat zu einem linearen Wachstum der Radien. Diese Abhängigkeiten lassen sich im Rahmen der bekannten Kinetik einer flüssig-flüssig Entmischung deuten. Ferner wird der Einfluss von doppelthydrophilen Blockcopolymeren (PEO-PMAA) auf die Teilchengröße und die Kinetik der Bildung von amorphem Calciumcarbonat untersucht. Zum Einsatz kommen zwei verschiedene Blockcopolymere, die sich in der Länge des PEO-Blocks unterscheiden. Im Fällungsexperiment führt das in sehr kleinen Konzentrationen vorliegende Blockcopolymere zur Stabilisierung von kleineren Partikeln. Das Blockcopolymer mit der längeren PEO-Einheit weist eine größere Effizienz auf. Die Ergebnisse lassen sich durch Annahme von Adsorption des Polymers an der Oberfläche interpretieren. Der Einfluss der doppelthydrophilen Blockcopolymere auf die Bildung von ACC deutet darauf, dass amorphes Calciumcarbonat eine komplexere Rolle als lediglich die eines Calciumcarbonatspeichers für das spätere Wachstum kristalliner Produkte einnimmt. Für die Wirkung von Polymerzusätzen muss somit nicht nur die Wechselwirkung mit den gegen Ende gebildeten Kristalle betrachtet werden, sondern auch der Einfluss, den das Polymer auf die Bildung des amorphen Calciumcarbonats hat. Die hier neu entwickelte Methode bietet die Möglichkeit, auch für komplexere Polymere, wie z.B. extrahierte Proteine, den Einfluss auf die Bildung der amorphen Vorstufe zu untersuchen.

Conditional and transgenic mouse models as tools to study the role of TGFbeta, BMP signaling in skeletal development

Die TGFbeta/BMP Signaltransduktionskaskade ist wichtig für viele Entwicklungsprozesse fast aller embryonaler sowie extraembryonaler Gewebe und sie ist ebenso essentiell bei der Aufrechterhaltung der Homöostase im adulten Organismus. In vielen Mausmodellen und Zellkulturversuchen wurde gezeigt, dass Liganden dieses Signalweges in verschiedene Stadien der Knorpel- und Knochenentwicklung involviert sind. BMPs sind beispielsweise maßgeblich an der frühen Kondensation und Bildung des Knorpels und später an Proliferation und Hypertrophie der Chondrozyten beteiligt. BMPs können ektopisch Knochenbildung auslösen und das Expressionsmuster der Liganden und spezifischen Rezeptoren in der Wachstumsfuge lässt auf eine wichtige Rolle der BMPs in der Wachstumsfuge schließen. Der gezielte knock out der BMP-Rezeptoren Bmpr1a und Bmpr1b in proliferierenden Chondrozyten führt zur Ausbildung einer generellen Chondrodysplasie. Smad1, Smad5 und Smad8 sind die Mediatoren der BMP-Signalkaskade. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Rolle und Funktion der Smad1- und Smad5-Proteine in der Wachstumsfuge untersucht werden. Hierzu wurden konditionale Smad1-knock out-Mäuse mit einer transgenen Mauslinie gekreuzt, die die Cre-Rekombinase spezifisch in proliferierenden Chondrozyten exprimiert. Diese Mäuse wurden mit und ohne heterozygotem Smad5-Hintergrund charakterisiert. Bei einem knock out von Smad1 allein konnte ein leichte Verkürzung der Wachstumsfuge beobachtet werden, wobei prähypertrophe und hypertrophe Zone gleichermaßen betroffen waren. Dieser Phänotyp war verstärkt in Mäusen mit zusätzlichem heterozygotem Smad5-Hintergrund. Eine Verringerung der Proliferationsrate konnte zusammen mit einer verminderten Ihh-Expression nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte anhand von Röntgenaufnahmen eine Dysorganisation der nasalen Region und ein fehlendes nasales Septum beobachtet werden. Produktion und Mineralisation der extrazellulären Matrix waren nicht beeinträchtigt. Um die Rolle der BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden während der endochondralen Ossifikation zu vergleichen, wurden transgene Mäuse generiert, in denen die TGFbeta-Signalkaskade spezifisch in proliferierenden Chondrozyten gestört war. Zwei Mauslinien, die ähnliche Phänotypen zeigten, wurden untersucht. Esl1 ist ein TGFbeta-bindendes Protein, von dem man annimmt, dass es die TGFbeta-Signalkaskade inhibieren kann. Esl1-knock out-Mäuse sind kleiner als Wildtypmäuse und die Überexpression von Esl1 in proliferierenden Chondrozyten führt zu einer Verlängerung der Wachstumsfuge und einer verstärkten Proliferationsrate. Knorpelmarker, wie Col2a1 und Sox9 sind in diesen Mäusen herunterreguliert, während Col10a1 und Ihh als Marker für die hypertrophe und prähypertrophe Zone herunterreguliert waren. Dies führt zu der Annahme, dass mehr Zellen in die terminale Differenzierung eintreten. Bei transgenen Mäusen, in denen ein dominant-negativer (dn) TGFbeta-Rezeptor in proliferierenden Chondrozyten überexprimiert wurde, konnte eine verlängerte prähypertrophe Zone, eine erhöhte Ihh-Expression, sowie eine verstärkte Proliferationsrate beobachtet werden. Zusätzlich konnte in homozygoten Tieren ein craniofacialer Phänotyp beschrieben werden, der zu Problemen bei der Nahrungsaufnahme und damit zu einer starken Wachstumsbeeinträchtigung führte. Die BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden haben möglicherweise antagonistische Effekte in der Wachstumsfuge. Während der Ausfall von BMP in proliferierenden Chondrozyten aufgrund einer gesunkenen Proliferationsrate zu einer Verkürzung der Wachstumsfuge führte, kann man in Mäusen mit einer Störung der TGFbeta-Signalkaskade eine verstärkte Proliferation in einer daher verlängerten Wachstumsfuge beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Generation einer transgenen Mauslinie, die die Cre-Rekombinase spezifisch in hypertrophen Chondrozyten exprimiert. Promoterstudien mit transgenen Mäusen weisen darauf hin, dass ein putatives AP1-Element, etwa 4 kb vor dem ersten Exon des Col10a1 gelegen, wichtig für die spezifische Expression in hypertrophen Chondrozyten ist. Ein Konstrukt, dass vier Kopien dieses Elements und den basalen Promoter enthält, wurde benutzt, um die Cre-Rekombinase spezifisch zu exprimieren. Diese Mauslinie befindet sich in der Testphase und erste Daten deuten auf eine spezifische Expression der Cre-Rekombinase in hypertrophen Chondrozyten hin.

Petrogenetic evolution of Uralian-Alaskan-type mafic-ultramafic complexes in the southern and middle Urals, Russia

The PhD thesis at hand consists of three parts and describes the petrogenetic evolution of Uralian-Alaskan-type mafic ultramafic complexes in the Ural Mountains, Russia. Uralian-Alaskan-type mafic-ultramafic complexes are recognized as a distinct class of intrusions. Characteristic petrologic features are the concentric zonation of a central dunite body grading outward into wehrlite, clinopyroxenite and gabbro, the absence of orthopyroxene and frequently occurring platinum group element (PGE) mineralization. In addition, the presence of ferric iron-rich spinel discriminates Uralian-Alaskan-type complexes from most other mafic ultramafic rock assemblages. The studied Uralian-Alaskan-type complexes (Nizhnii Tagil, Kytlym and Svetley Bor) belong to the southern part of a 900 km long, N–S-trending chain of similar intrusions between the Main Uralian Fault to the west and the Serov-Mauk Fault to the east. The first chapter of this thesis studies the evolution of the ultramafic rocks tracing the compositional variations of rock forming and accessory minerals. The comparison of the chemical composition of olivine, clinopyroxene and chromian spinel from the Urals with data from other localities indicates that they are unique intrusions having a characteristic spinel and clinopyroxene chemistry. Laser ablation-ICPMS (LA-ICPMS ) analyses of trace element concentrations in clinopyroxene are used to calculate the composition of their parental melt which is characterized by enriched LREE (0.5-5.2 prim. mantle) and other highly incompatible elements (U, Th, Ba, Rb) relative to the HREE (0.25-2.0 prim. mantle). A subduction-related geotectonic setting is indicated by a positive anomaly for Sr and negative anomalies for Ti, Zr and Hf. The mineral compositions monitor the evolution of the parental magmas and decipher differences between the studied complexes. In addition, the observed variation in LREE/HREE (for example La/Lu = 2-24) can be best explained with the model of an episodically replenished and erupted open magma chamber system with the extensive fractionation of olivine, spinel and clinopyroxene. The data also show that ankaramites in a subduction-related geotectonic setting could represent parental magmas of Uralian-Alaskan-type complexes. The second chapter of the thesis discusses the chemical variation of major and trace elements in rock-forming minerals of the mafic rocks. Electron microprobe and LA-ICPMS analyses are used to quantitatively describe the petrogenetic relationship between the different gabbroic lithologies and their genetic link to the ultramafic rocks. The composition of clinopyroxene identifies the presence of melts with different trace element abundances on the scale of a thin section and suggests the presence of open system crustal magma chambers. Even on a regional scale the large variation of trace element concentrations and ratios in clinopyroxene (e.g. La/Lu = 3-55) is best explained by the interaction of at least two fundamentally different magma types at various stages of fractionation. This requires the existence of a complex magma chamber system fed with multiple pulses of magmas from at least two different coeval sources in a subduction-related environment. One source produces silica saturated Island arc tholeiitic melts. The second source produces silica undersaturated, ultra-calcic, alkaline melts. Taken these data collectively, the mixing of the two different parental magmas is the dominant petrogenetic process explaining the observed chemical variations. The results further imply that this is an intrinsic feature of Uralian-Alaskan-type complexes and probably of many similar mafic-ultramafic complexes world-wide. In the third chapter of this thesis the major element composition of homogeneous and exsolved spinel is used as a petrogenetic indicator. Homogeneous chromian spinel in dunites and wehrlites monitors the fractionation during the early stages of the magma chamber and the onset of clinopyroxene fractionation as well as the reaction of spinel with interstitial liquid. Exsolved spinel is present in mafic and ultramafic rocks from all three studied complexes. Its composition lies along a solvus curve which defines an equilibrium temperature of 600°C, given that spinel coexists with olivine. This temperature is considered to be close to the temperature of the host rocks into which the studied Uralian-Alaskan-type complexes intruded. The similarity of the exsolution temperatures in the different complexes over a distance of several hundred kilometres implies a regional tectonic event that terminated the exsolution process. This event is potentially associated with the final exhumation of the Uralian-Alaskan-type complexes along the Main Uralian Fault and the Serov-Mauk Fault in the Uralian fold belt.

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Extracranial expansion of a feline meningioma

Meningioma is the most frequently observed primary brain tumour in cats. Usually, it is associated with an intracranial expansion with consequent brain compression, oedema and brain herniation. Typical features of feline intracranial meningiomas are hyperostosis of the adjacent bone and intratumoral mineralisation. We describe a 13-year-old male neutered cat with a 1-year history of behavioural change. At clinical and neurological examination the cat showed signs consistent with right-sided forebrain lesion. Magnetic resonance images showed a right-sided extra-axial contrast enhancing mass in the region of the frontotemporal lobe. The overlying bone of the calvarium showed a marked defect with extracranial expansion of the tissue. Surgery was performed and the tumour could be exposed by a right-sided temporal approach. After extension of the bony defect the mass could be removed properly. The cat recovered well from surgery and a 12-month follow-up showed no persistent neurological deficits. Histopathological assessment of the tumour revealed a transitional grade 1 meningioma. Despite osteolysis and extracranial expansion of the tumour differentials should include menigioma in feline intracranial neoplasms.

Natural Tracers in recent groundwaters from different Alpine aquifers

Groundwater with underground residence times between days and a few years have been investigated over more than 20 years from 487 remote sites located in different aquifer types in the Alpine belt. Analysis of the data reveals that groundwaters evolved in crystalline, evaporite, carbonate, molasse, and flysch aquifers can be clearly distinguished based on their major and trace element composition and degree of mineralisation. A further subdivision can be made even within one aquifer type based on the trace element compositions, which are characteristic for the lithologic environment. Major and trace element concentrations can be quantitatively described by interaction of the groundwater with the aquifer- specific mineralogy along the flow path. Because all investigated sites show minimal anthropogenic influences, the observed concentration ranges represent the natural background concentrations and can thus serve as a “geo-reference” for recent groundwaters from these five aquifer types. This “geo-reference” is particularly useful for the identification of groundwater contamination. It further shows that drinking water standards can be grossly exceeded for critical elements by purely natural processes

Biotic and abiotic controls of nitrogen and phosphorus cycling in Central European forests

The functioning and services of Central European forests are threatened by global change and a loss of biodiversity. Nutrient cycling as a key forest function is affected by biotic drivers (e.g., dominant tree species, understory plants, soil organisms) that interact with abiotic conditions (e.g., climate, soil properties). In contrast to grassland ecosystems, evidence for the relationship of nutrient cycles and biodiversity in forests is scarce because the structural complexity of forests limits experimental control of driving factors. Alternatively, observational studies along gradients in abiotic conditions and biotic properties may elucidate the role of biodiversity for forest nutrient cycles. This thesis aims to improve the understanding of the functional importance of biodiversity for nutrient cycles in forests by analyzing water-bound fluxes of nitrogen (N) and phosphorus (P) along gradients in biodiversity in three regions of Germany. The tested hypotheses included: (1) temperate forest canopies retain atmospheric N and retention increases with increasing plant diversity, (2) N release from organic layers increases with resource availability and population size of decomposers but N leaching decreases along a gradient in plant diversity, (3) P leaching from forest canopies increases with improved P supply from recalcitrant P fractions by a more diverse ectomycorrhizal fungal community. In the canopies of 27 forest stands from three regions, 16 % to 51 % of atmospheric N inputs were retained. Regional differences in N retention likely resulted from different in N availability in the soil. Canopy N retention was greater in coniferous than in beech forests, but this was not the case on loessderived soils. Nitrogen retention increased with increasing tree and shrub diversity which suggested complementary aboveground N uptake. The strength of the diversity effect on canopy N uptake differed among regions and between coniferous and deciduous forests. The N processing in the canopy directly coupled back to N leaching from organic layers in beech forests because throughfall-derived N flushed almost completely through the mull-type organic layers at the 12 studied beech sites. The N release from organic layers increased with stand basal area but was rather low (< 10 % of annual aboveground litterfall) because of a potentially high microbial N immobilization and intensive incorporation of litter into the mineral soil by bioturbation. Soil fauna biomass stimulated N mineralization through trophic interactions with primary producers and soil microorganisms. Both gross and net leaching from organic layers decreased with increasing plant diversity. Especially the diversity but not the cover of herbs increased N uptake. In contrast to N, P was leached from the canopy. Throughfall-derived P was also flushed quickly through the mull-type organic layers and leached P was predominantly immobilized in non directly plant-available P fractions in the mineral soil. Concentrations of plant-available phosphate in mineral soil solution were low and P leaching from the canopy increased with increasing concentrations of the moderately labile P fraction in soil and increasing ectomycorrhiza diversity while leaf C:P ratios decreased. This suggested that tree P supply benefited from complementary mining of diverse mycorrhizal communities for recalcitrant P. Canopy P leaching increased in years with pronounced spring drought which could lead to a deterioration of P supply by an increasing frequency of drought events. This thesis showed that N and P cycling in Central European forests is controlled by a complex interplay of abiotic site conditions with biological processes mediated by various groups of organisms, and that diverse plant communities contribute to tightening the N cycle in Central European forests and that diverse mycorrhizal communities improve the limited P availability. Maintaining forest biodiversity seems essential to ensure forest services in the light of environmental change.

Oceanography during TYDEMAN cruise DCM (DeepChlorMax) to the Equatorial Atlantic

The cruise with RV Tydeman was devoted to study permanently stratified plankton systems in the (sub)tropical ocean, which are characterised by a deep chlorophyll peak between 80 and 150 m. To minimise lateral effects by horizontal transport of nutrients and organic matter from river outflow and upwelling regions, stations were selected in the middle of the North Atlantic Ocean between the continents of America and Africa. (5 - 35° N and 50 - 15° W). Here the vertical distributions of light and nutrients control the abundance and growth of autotrophic algae in the thermically stratified water column. This phytoplankton is numerically dominated by the prokaryotic picoplankters Synechococcus spp. and Prochlorococcus spp., which are smaller than 2 ?m. The productivity of the 100 to 150 m deep euphotic zone can be high, because a high heterotrophic/autotrophic biomass ratio induces a rapid regeneration of nutrients and inorganic carbon. Primary grazers are mainly micro-organisms such as heterotrophic nannoflagellates and ciliates, which feed on the small algae and on bacteria. Heterotrophic bacteria can outnumber the autotrophic algae, because their number is related to the substrate pools of dissolved and particulate dead organic matter. These DOC and detritus pools reach equilibrium at a concentration, where the rate of their production (proportional to algal biomass) equals their mineralisation and sinking rate (proportional to the concentration and weight of POC and detritus). At a relatively low value of the weight-specific loss rates, the equilibrium concentration of these carbon pools and their load of bacteria can be high. The bacterial productivity is proportional to the mineralisation rate, which in a steady state can never be higher than the rate of primary production. Hence the ratio in turnover rate of bacteria and autotrophs tends to be reciprocally proportional to their biomass ratio.

Geological and geochemical characteristics of the Tersang gold deposit, Malaysia: implications for genesis and gold exploration

The Central gold belt of peninsular Malaysia comprises a number of gold deposits located in the east of the N-S striking Bentong-Raub Suture Zone. The Tersang gold deposit is one of the gold deposits in the gold belt and hosted in sandstone, rhyolite and breccia units. The deposit has an inferred resource of 528,000 ounces of gold. The geochronology of the Tersang deposit has been newly constrained by LA ICP-MS U-Pb zircon dating. The maximum depositional age of the host sedimentary rocks ranges from Early Carboniferous to Early Permian (261.5 ± 4.9 Ma to 333.5 ± 2.5 Ma) for the host sandstone and Late Triassic for the rhyolite intrusion (218.8 ± 1.7 Ma). Textural characteristics of pyrite have revealed five types including (1) Euhedral to subhedral pyrite with internal fracturing and porous cores located in the sandstone layers (pyrite 1); (2) Anhedral pyrite overgrowths on pyrite 1 and disseminated in stage 1 vein (pyrite 2); (3) Fracture-filled or vein pyrite located in stages 1 and 2 vein (pyrite 3); (4) Euhedral pyrite with internal fractures also located in stage 2 vein (pyrite 4); and (5) Subhedral clean pyrite located in the rhyolite intrusion (pyrite 5). Based on pyrite mapping and spot analyses, two main stages of gold enrichment are documented from the Tersang gold deposit. Gold in sandstone-hosted pyrite 1 (mean 4.3 ppm) shows best correlation with Bi and Pb (as evidenced on pyrite maps). In addition, gold in pyrite 3 (mean 8 ppm) located in stage 2 vein shows a good correlation with As, Ag, Sb, Cu, Tl, and Pb. In terms of gold exploration, we suggest that elements such as As, Ag, Sb, Cu, Tl, Bi, and Pb associated with Au may serve as vectoring tools in gold exploration. Our new geological, structural, geochemical and isotopic data together with mineral paragenesis, pyrite chemistry and ore fluid characteristics indicate that the Tersang gold deposit is comparable to a sediment-hosted gold deposit. Our new genetic model suggests deposition of the Permo-Carboniferous sediments followed by intrusion of rhyolitic magma in the Late Triassic. At a later stage, gold mineralisation overprinted the rhyolite intrusion and the sandstone.

Sediment and pore water geochemistry of sediment cores, Potter Cove, King George Island

Redox-sensitive trace metals (Mn, Fe, U, Mo, Re), nutrients and terminal metabolic products (NO3-, NH4+, PO43-, total alkalinity) were for the first time investigated in pore waters of Antarctic coastal sediments. The results of this study reveal a high spatial variability in redox conditions in surface sediments from Potter Cove, King George Island, western Antarctic Peninsula. Particularly in the shallower areas of the bay the significant correlation between sulphate depletion and total alkalinity, the inorganic product of terminal metabolism, indicates sulphate reduction to be the major pathway of organic matter mineralisation. In contrast, dissimilatory metal oxide reduction seems to be prevailing in the newly ice-free areas and the deeper troughs, where concentrations of dissolved iron of up to 700 µM were found. We suggest that the increased accumulation of fine-grained material with high amounts of reducible metal oxides in combination with the reduced availability of metabolisable organic matter and enhanced physical and biological disturbance by bottom water currents, ice scouring and burrowing organisms favours metal oxide reduction over sulphate reduction in these areas. Based on modelled iron fluxes we calculate the contribution of the Antarctic shelf to the pool of potentially bioavailable iron (Feb) to be 6.9x10**3 to 790x10**3 t/yr. Consequently, these shelf sediments would provide an Feb flux of 0.35-39.5/mg/m**2/yr (median: 3.8 mg/m**2/yr) to the Southern Ocean. This contribution is in the same order of magnitude as the flux provided by icebergs and significantly higher than the input by aeolian dust. For this reason suboxic shelf sediments form a key source of iron for the high nutrient-low chlorophyll (HNLC) areas of the Southern Ocean. This source may become even more important in the future due to rising temperatures at the WAP accompanied by enhanced glacier retreat and the accumulation of melt water derived iron-rich material on the shelf.

Nitrification rates in the NW Mediterranean Sea

During spring, ammonium oxidation and nitrite oxidation rates were measured in the NW basin of the Mediterranean Sea, from mesotrophic sites (Ligurian Sea and Gulf of Lions) to oligotrophic sites (Balearic Islands). Nitrification rates (average values for 37 measurements) ranged from 72 to 144 nmol of N oxidised/l/d, except in the Rhône River plume area where the rates increased to 264-504 nmol/l/d because of the riverine inputs of nitrogen. Maximal rates were located around the peak of nitrite within the nitracline at about 40 to 60 m and just above the phosphacline. At 1 station, relatively high values of nitrification (50 to 130 nmol/l/d) were also measured deep in the water column (240 m). Day-to-day variations were measured demonstrating the response within a few hours to hydrological stress (wind-induced mixing of the water column) and showing the role of hydrological characteristics on the distribution of nitrification rates. Because of the homogenous temperature (13°C) in the Mediterranean Sea, the spatial (geographical and vertical) fluctuations of nitrifying rates were linked to the presence of substrate due to mineralisation processes and/or Rhône River inputs. We estimate the contribution of nitrate produced by nitrification to the N demand of phytoplankton to range from 16% at mesotrophic to 61% at oligotrophic stations.

Proto-kerogens in Holocene sediments of ODP Hole 165-1002C

Proto-kerogens were isolated, by extraction and HF/HC1 treatment, from core samples of Holocene sediments of the Cariaco Trench, with interpolated ages of 900, 2850 and 6000 years, and examined via a combination of microscopic, spectroscopic and pyrolytic methods. It appears that these proto-kerogens were chiefly formed from phytoplanktonic components via the degradation-recondensation pathway. The natural sulfurisation pathway only afforded a minor contribution, in spite of the conditions prevailing in the water column and sediments that correspond to those generally considered as especially favourable for the formation of sulfurised organic matter. Proto-kerogen formation via sulfurisation, i.e. the endpoint of the continuum leading to insoluble high molecular weight structures cross-linked by sulfur and resistant to acid hydrolysis, is therefore a rather slow process under these conditions. However, the contribution of sulfurised moieties to the total proto-kerogen substantially increased with depth due to continuous sulfurisation in the time/depth interval, whereas formation through degradation-recondensation is almost complete for the 900 years old sample onwards. Proto-kerogen formation via carbohydrate sulfurisation is faster than lipid sulfurisation and only sulfurised carbohydrates were detected in the shallowest sample. In contrast, sulfurised lipids occur in the other two proto-kerogens. Moreover, their contribution relative to sulfurised carbohydrates increases with depth, probably due to the higher resistance of lipids to mineralisation compared to carbohydrates.

Chemical composition of Fe-Mn manifestations from the Laptev Sea

In sediments of the Laptev Sea unknown earlier ferromanganese manifestations have been found. On the basis of structural-textural external signs they have been divided to five groups: 1) tube- and spindle-shaped pseudomorphs after and within invertebrates; 2) nuclear and non-nuclear nodules; 3) flagellum- and tube-like skeletons of polychaetes; 4) flat and flattened crustate nodules and crusts; 5) micronodules. All types of ferromanganese manifestations have been sorted in three main genetic series: eigenferrous formations of autochthonous (polychaetes, goethite micronodules) and allochthonous (nuclear nodules) nature; ferromanganese nodules formed under mild hydro-geodynamic conditions at the sediment-seawater geochemical barrier; and ferromanganese manifestations formed under conditions of the variable physico-chemical environment. Ferromanganese manifestations of allochthonous type have signs of littoral zones. They contain both ferrous and ferric iron and have low oxidation degree of manganese in comparison with the autochthonous type manifestations. Manganese minerals with moderate oxidation degree are represented by vernadite and buserite. Such features of iron and manganese indicate different conditions of their formation and occurrence. The main distinctive feature of ferromanganese mineralisation in the Laptev Sea is the redox barrier: the oxidized water layer enriched in oxygen and reduced sediments. This barrier provides favorable conditions for bacterial formation of ferromanganese ores. Understanding of the genesis of ferromanganese manifestations should be found in a study of organic matter reworking by bacteria.

Grazing under experimental hypercapnia and elevated temperature does not affect the radula of a chiton (Mollusca, Polyplacophora, Lepidopleurida)

Chitons (class Polyplacophora) are benthic grazing molluscs with an eight-part aragonitic shell armature. The radula, a serial tooth ribbon that extends internally more than half the length of the body, is mineralised on the active feeding teeth with iron magnetite apparently as an adaptation to constant grazing on rocky substrates. As the anterior feeding teeth are eroded they are shed and replaced with a new row. The efficient mineralisation and function of the radula could hypothetically be affected by changing oceans in two ways: changes in seawater chemistry (pH and pCO2) may impact the biomineralisation pathway, potentially leading to a weaker or altered density of the feeding teeth; rising temperatures could increase activity levels in these ectothermic animals, and higher feeding rates could increase wear on the feeding teeth beyond the animals' ability to synthesise, mineralise, and replace radular rows. We therefore examined the effects of pH and temperature on growth and integrity in the radula of the chiton Leptochiton asellus. Our experiment implemented three temperature (10, 15, 20 °C) and two pCO2 treatments (400 µatm, pH 8.0; 2000 µatm, pH 7.5) for six treatment groups. Animals (n = 50) were acclimated to the treatment conditions for a period of 4 weeks. This is sufficient time for growth of ca. 7-9 new tooth rows or 20% turnover of the mineralised portion. There was no significant difference in the number of new (non-mineralised) teeth or total tooth row count in any treatment. Examination of the radulae via SEM revealed no differences in microwear or breakage on the feeding cusps correlating to treatment groups. The shell valves also showed no signs of dissolution. As a lineage, chitons have survived repeated shifts in Earth's climate through geological time, and at least their radulae may be robust to future perturbations.