Universität Stuttgart

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Development of a process for the enhanced phosphorus recovery from the organic matrix of agricultural residues
(2014) Campos Cuellar, Astrid Alejandra; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Phosphorus (P) can be recovered in a sustainable way from agricultural residues (e.g. animal manure, digestate). However, current state of the art technologies can only recover the soluble inorganic P in the liquid fraction after mechanical separation, which can be as low as only 20% of the total P content. In this thesis, enzymatic and chemical processes for the increase of this soluble P content in the liquid fraction were investigated. In addition, a concept for the integrated nutrient recovery from pig manure was proposed.
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Entwicklung eines global übertragbaren raumbezogenen Planungsinstruments für das integrierte urbane Wassermanagement
(2014) Haller, Birgit E.; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Vor dem Hintergrund globaler Veränderungen in der Wasserwirtschaft wurde in dieser Dissertation ein standortangepasstes Planungsinstrument für eine nachhaltige Wasserver- und Abwasserentsorgung entwickelt. Das GIS-gestützte Bewertungssystem ermöglicht die Potenzialanalyse von siedlungsnahen Flächen für eine integrierte Nutzung der verfügbaren kommunalen Wasserressourcen. Zwei Untersuchungsgebiete in Deutschland dienten der Entwicklung der Analyseprozesse, deren Übertragbarkeit auf andere Regionen wurde im Staat São Paulo / Brasilien untersucht. Zunächst wurde eine Methodik erarbeitet zur regionalen Bewertung der Eignung von Landflächen für die Versickerung von aufbereitetem kommunalem Abwasser oder Regenwasser im Sinne einer gezielten Grundwasseranreicherung (regionale Eignungsanalyse). Dabei wurden Elemente der multikriteriellen Entscheidungsanalyse eingesetzt. Zur quantitativen Abschätzung des Potenzials zur Wasserwiederverwendung wurde eine Methodik zur Erfassung kommunaler Wasserressourcen und des Brauchwasserbedarfs entwickelt (Ertrags-Bedarfs-Analyse). Die Eignungs- sowie die Ertrags-Bedarfs-Analyse münden in standortbezogenen Szenarien der integrierten Wassernutzung.
Open Access
Entwicklung eines semidezentralen Verfahrens für kommunales Abwassermanagement und Erprobung in der großtechnischen Anwendung
(2009) Zech, Tosca; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Das entwickelte semidezentrale Verfahren für kommunales Abwassermanagement wurde konzipiert, um die ökologischen Vorteile dezentraler Systeme mit den ökonomischen und technischen Vorteilen zentraler Systeme zu verbinden. Ein Schwerpunkt lag in der Auslegung, Planung, Bauüberwachung und Inbetriebnahme der semidezentralen Membrankläranlage Heidelberg-Neurott (MKA01) zur Demonstration des Verfahrens in einer entlegenen Bauernsiedlung. Die wissenschaftliche Untersuchung der hydraulischen und stofflichen Vorgänge auf der MKA01 zeigte, dass die Konzentration für CSB und Phosphor den erwarteten Werten entspricht, während die Konzentration für Gesamtstickstoff ca. 30 % darüber liegt. Die biologische Abwasserreinigung produziert ganzjährig sehr gute Ablaufwerte mit sehr hohen Eliminationsraten und erfüllt die Anforderungen der Größenklasse 5. Die Leistung der Rotationsscheibenfilter der MKA01 wurde über mehr als zwei Jahre analysiert. Hierbei konnten sehr hohe Ausbeuten bei sehr langen Standzeiten zwischen den chemischen Reinigungen beobachtet werden. Das Ziel, die technische Machbarkeit von semidezentralen Abwasserreinigungsanlagen zu demonstrieren, ist gelungen. Sehr gut erreichbar sind exzellente Ablaufwerte, niedriger Betreuungsaufwand und gute Überwachung der Abwasserqualität sowie eine bedingte Kosteneffizienz. Es sind damit die technischen Voraussetzungen für eine nachhaltige Abwasserinfrastruktur als Alternative zum herkömmlichen Wassersystem geschaffen worden.
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Erweiterung des genetischen Codes von Candida albicans zur Analyse von Protein-Protein Interaktionen in vivo
(2014) Grumaz, Silke; Rupp, Steffen (PD Dr.)
In der vorliegenden Arbeit wurde der genetische Code des humanpathogenen Pilzes Candida albicans durch gezielte Etablierung und Optimierung eines orthogonalen Pärchens bestehend aus tRNA und tRNA-Synthetase um die synthetische Aminosäure p-Azidophenylalanin erweitert. Nach Integration der synthetischen Aminosäure in vivo und UV-Bestrahlung war eine positionsspezifische Kreuzvernetzung binärer Protein-Protein Interaktionen möglich, wie anhand von zwei Modellproteinen gezeigt werden konnte. Diese kreuzvernetzten Proteinkomplexe konnten zudem aufgereinigt und massenspektrometrisch analysiert werden, was eine generelle Eignung der Methode für die Indentifizierung auch unbekannter Interaktionen zeigte. Somit konnte ein wirkungsvolles Werkzeug für die Candida-Forschung etabliert werden.
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Identifizierung und vergleichende Charakterisierung eines zentralen Regulationsfaktors der Morphogenese und des Stickstoffmetabolismus in humanpathogenen Pilzen
(2012) Lindemann, Elena; Rupp, Steffen (PD Dr.)
Von den etwa 200 verschiedenen Pilzen der Hefegattung Candida gilt insbesondere Candida albicans als der medizinisch bedeutendste Hefepilz, da er als fakultativ pathogener Erreger zwar bei 75% der Bevölkerung hauptsächlich den Gastrointestinaltrakt symptomlos besiedelt, jedoch bei immunsupprimierten Patienten über zwei Drittel aller invasiven, systemischen Infektionen auslöst, die eine Mortalitätsrate von über 30% aufweisen. Mit der Identifizierung von Candida dubliniensis wurde ein sehr naher Verwandter von C. albicans beschrieben, der trotz einer sehr engen phylogenetischen Verwandtschaft und ähnlichen phänotypischen Eigenschaften, in epidemiologischen Studien eine nur sehr geringe Prävalenz sowie eine deutlich reduzierte Virulenz aufweist. Ein Vergleich beider Candida-Spezies sollte daher die Grundlage bieten, Unterschiede zwischen den beiden Hefepilzen zu identifizieren, die zur verbesserten Adaptation von C. albicans gegenüber C. dubliniensis an den Wirtsorganismus führen und zu ihrer unterschiedlichen Pathogenität beitragen. Durch eine vergleichende Analyse der beiden Candida-Arten insbesondere im Hinblick auf ihre unterschiedliche Induktion und Regulation von morphologischen Differenzierungsprozessen (z. B. der Transition von der sphärischen Blastopore zur filamentösen Wachstumsform, die in C. albicans als ein wichtige Virulenzfaktor angesehen wird) wurde in dieser Arbeit ein zentraler Morphogeneseregulator in C. dubliniensis identifiziert, der signifikante Homologien zu einer konservierten Klasse von Transkriptionsfaktoren in Pilzen aufweist, die als APSES-Proteine bezeichnet werden. Die Deletion dieses Gens und nachfolgende funktionelle Charakterisierung konnte zeigen, dass die Deletionsstämme neben einer veränderten Morphologie sich in der Induktion des hyphalen Wachstums und der Chlamydosporen-Ausbildung vom Wildtypstamm deutlich unterschieden. Aufgrund dieser Funktion als zentraler Morphogeneseregulator wurde das entsprechende Protein als Mom1 - „Modulator of Morphogenesis 1“ bezeichnet. Weiterführende Analysen konnten zeigen, dass MOM1 außerdem einen großen Einfluss auf das Adhäsions- und Invasionsverhalten sowie den Zellwandaufbau der Zellen hat. Diese Eigenschaften sind vergleichbar mit der Funktion des Efg1p in C. albicans. Durch die ektopische Expression von MOM1 im efg1Δ-Deletionsstamm oder die heterologe Integration von EFG1 in den mom1Δ-Deletionsstamm konnte der morphologische Phänotyp sowie die Defekte in der Zellwandzusammensetzung funktionell komplementiert werden. Durch differenzielle Genexpressionsstudien von Wildtyp- und Deletionsstämmen unter zwei unterschiedlichen Wachstumsbedingungen mithilfe der ebenfalls in dieser Arbeit etablierten und validierten MESSAGE-Technologie, die auf einer hochauflösenden zweidimensionalen Auftrennung der ds-cDNA-Fragmente basiert, konnte außerdem gezeigt werden, dass der Transkriptionsfaktor Mom1p - ähnlich wie Efg1p aus C. albicans- neben den Proteinen der Zellwand oder Zellmembran auch zahlreiche metabolische Prozesse reguliert. Je nach Bedingung wurden durch Deletionen von MOM1 zahlreiche Gene z. B. der Ribosomenbiogenese oder des Kohlenhydrat-metabolismus differentiell exprimiert. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal auch eine konservierte Funktion der APSES-Proteine Mom1p und Efg1p im Stickstoffmetabolismus beschrieben werden. Beide Proteine scheinen dabei eine essentielle Rolle als Schalterproteine spielen, ob nieder- oder hochmolekulare Stickstoffquellen für den Wachstumsprozess verwertet werden. Trotz der konservierten Funktion zeigten sich zwischen beiden Candida-Arten signifikante Unterschiede in der transkriptionellen Regulation dieser APSES-Gene. So wurden MOM1 und EFG1 in den entsprechenden Wildtyp-Stämmen unter zahlreichen Bedingungen und unabhängig von der Zellmorphologie entgegengesetzt exprimiert. Durch den Austausch der gesamten MOM1-Promotorregion durch den EFG1-Promotor konnte jedoch Art und Verlauf der C. albicans EFG1-Induktion auch in C. dubliniensis beobachtet werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die antagonistische Genexpression hauptsächlich auf verschiedene cis-regulatorische Elemente in den jeweiligen Promotorsequenzen von MOM1 und EFG1 zurückgeführt werden können. Interessanterweise konnten wir trotz der gleichen C. albicans-spezifischen Regulation des heterolog exprimierten EFG1 mit Promotor im ∆mom1-Deletionshintergrund keine Induktion des hyphalen Wachstums in C. dubliniensis beobachtet werden. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die morphologische Transition in C. albicans durch einen weiteren regulatorscher Signalweg induziert wid, der in C. dubliniensis entweder nicht vorhanden oder aktiviert ist. Diese Aktivierung von verschiedenen Signaltransduktionswegen oder die differentielle Regulation von Genen können somit die Gründe dafür sein, weshalb so phylogenetisch nahe verwandte Arten sich in der Expression von Virulenzfaktoren und ihrer Pathogenität unterscheiden.
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Sulfonated poly(ether ether ketone) based membranes for direct ethanol fuel cells
(2010) Roelofs, Kimball Sebastiaan; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
The decreasing availability of fossil fuels and the increasing impact of greenhouse gases on the environment lead to an extensive development of more efficient or renewable energy sources. The direct alcohol fuel cell (DAFC) as a portable energy source is a promising and fast growing technology which meets these demands. Up to now, methanol is mostly studied as a fuel for these devices, however, applying ethanol has some evident advantages over methanol. The major challenges in direct ethanol fuel cell (DEFC) research on component level are the catalyst development and the electrolyte membrane development. The focus of this thesis lies on the development and characterization of proton conductive membranes for application in direct ethanol fuel cells (DEFC). Sulfonated poly(ether ether ketone) (sPEEK) based organic-inorganic mixed-matrix membranes are developed and, in addition, the inorganic phase is modified with functional silanes carrying basic groups. The membranes are characterized with respect to fuel crossover, proton conductivity, membrane stability and direct ethanol fuel cell tests.