Phosphorus Dynamics in Preferential Flow of Forest Soils

Preferential flow pathways (PFPs) are an export pathway for phosphorus (P) from forest soils. Within the scope of this work, the translocation of P into the subsoil with the potential of P export was investigated. For this purpose, experiments were conducted at three beech sites with different levels of soil P stock in Germany. Mitterfels (MIT) is a hillslope site in the Bavarian Forest (Southeast Germany). The predominant soil type is a Cambisol, which has developed on paragneiss. The P stocks here are comparatively high. Buchhübel (BUH) is located in the Tharandt Forest (Eastern Germany). The site is characterized by fluvially deposited sands, loess loam and basalt. From these, Cambisols have developed. Sandy deposits dominate the profiles investigated at the site, which is why the phosphorus supply here is low. Lüss (LUE) is located in the Lüneburg Heath (North German Lowlands). The parent material is a sandy till, from which Cambisols have developed. The site is characterized by low P stocks. In addition to the initial experiments, a nutrient manipulation experiment was conducted at two of those sites, MIT and LUE. Here, nitrogen (N), P and N+P were each applied to an experimental plot. The experimental setup is the same on all plots: To collect preferential flow (PF), zero-tension lysimeters were installed at different soil depths (below the mineral topsoil and at two positions in the subsoil). Before the experiments, an extended dry period was simulated by covering the area above the instruments. Following the drying of the soil, a heavy rainfall event was simulated by spreading artificial rainwater evenly over the test area. Preferential flow water was sampled and subsequently analyzed qualitatively and quantitatively in the laboratory. The focus of the analyses was on P and its fractions. Total P (TP) as well as dissolved inorganic P (DIP), dissolved organic P (DOP) and particle-associated P (PP) were analyzed. The P loads were calculated from the concentrations and the sample volumes. The highest concentrations of P in preferential flow water were found in the upper lysimeters below the mineral topsoil. With increasing sampling depth, the collected P concentrations decreased. In the upper samplers, mainly high concentrations of dissolved inorganic phosphorus (DIP) were measured, while in the middle samplers particle-associated phosphorus (PP) dominates. In the lower position samplers (lower subsoil), only little PF could be sampled. In line with the high concentrations in the topsoil, the highest loads of P, especially DIP, were also found there. In the middle samplers, high loads of PP were observed. In the examined fractions, dissolved organic phosphorus (DOP) played only a minor role. In the course of the nutrient manipulation experiment, the observed P dynamics in the PF were related to the initial P contents of the soils of each site. Both the concentrations and the loads differ more clearly between the sites than by the respective nutrient manipulations. This is also confirmed by the statistical analysis. However, at all sites the standard deviations of the results were very high due to the strong heterogeneity of preferential flow in forest soils. In this work, it is shown that zero-tension lysimeters are suitable for sampling PF in forest soils and to assess concentrations as well as loads of different P fractions in PF. Especially the possibility to sample PP is relevant for P budgets in forest ecosystems. In addition, first data on P fraction loads in PF in forest soil could be obtained. It has been shown that at low P sites, P losses from the topsoil are prevented despite large mobilization in the topsoil. At the same time, the potential for P translocation by PFP, especially in the fraction PP, could be detected. This potential should be further explored. From the manipulation experiments there was no indication of an influence of changing nutrient conditions on P in PF. However, the number of samples was very limited, so further studies would be necessary to generalize this statement.Präferenzielle Fließwege (PFP) sind ein Exportweg für Phosphor (P) aus Waldböden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Verlagerung von P in den Unterboden mit dem Potenzial des P-Exports untersucht. Zu diesem Zweck wurden Versuche an drei Buchenstandorten mit unterschiedlichem P-Vorrat im Boden in Deutschland durchgeführt. Mitterfels (MIT) ist an einem Hang im Bayerischen Wald (Südostdeutschland) gelegen. Der vorherrschende Bodentyp ist eine Braunerde, die sich auf Paragneis entwickelt hat. Die P-Vorräte sind hier vergleichsweise hoch. Der Standort Buchhübel (BUH) befindet sich im Tharandter Wald (Ostdeutschland). Er ist durch fluvial abgelagerte Sande, Lösslehm und Basalt gekennzeichnet. Aus diesen haben sich Braunerden entwickelt. In den untersuchten Profilen des Standortes dominieren sandige Ablagerungen, weshalb die P-Versorgung hier gering ist. Lüss (LUE) befindet sich in der Lüneburger Heide (Norddeutsches Tiefland). Das Ausgangsmaterial ist ein sandiger Geschiebelehm, aus dem sich Braunerden entwickelt haben. Der Standort ist durch geringe P-Vorräte gekennzeichnet. Zusätzlich zu den ursprünglichen Versuchen wurde an zwei dieser Standorte, MIT und LUE, ein Experiment zur Nährstoffmanipulation durchgeführt. Dabei wurden Stickstoff (N), P und N+P jeweils auf eine Versuchsparzelle ausgebracht. Der Versuchsaufbau war auf allen Parzellen gleich: Zur Erfassung des präferentiellen Flusses (PF) wurden spannungsfreie Lysimeter in verschiedenen Bodentiefen (unter dem mineralischen Oberboden und in zwei Tiefenstufen im Unterboden) installiert. Vor den Versuchen wurde eine längere Trockenperiode simuliert, indem die Fläche über den Messgeräten abgedeckt wurde. Nach Austrocknung des Bodens wurde ein Starkregenereignis simuliert, indem künstliches Regenwasser gleichmäßig über die Testfläche verteilt wurde. Das mit den Lysimetern erfasste Sickerwasser wurde beprobt und anschließend im Labor qualitativ und quantitativ analysiert. Der Schwerpunkt der Analysen lag auf P und seinen Fraktionen. Es wurden der Gesamt-P (TP) sowie der gelöste anorganische P (DIP), der gelöste organische P (DOP) und der partikelassoziierte P (PP) analysiert. Die P-Frachten wurden aus den Konzentrationen und den Probenmengen berechnet. Die höchsten P-Konzentrationen wurden im PF der oberen Lysimetern gefunden und damit im Übergang vom mineralischen Oberboden zum Unterboden. Mit zunehmender Beprobungstiefe wurden abnehmende P-Konzentrationen beobachtet. In den oberen Lysimeters wurden hauptsächlich hohe Konzentrationen von DIP gemessen, während im Unterboden PP dominiert. In den tiefsten Lysimetern im Unterboden konnte nur wenig PF erfasst werden, da die Sickerwassermengen zur Beprobung nicht ausreichten. Übereinstimmend mit den hohen Konzentrationen im Oberboden wurden dort auch die höchsten P-Frachten, insbesondere von DIP, festgestellt. In den Lysimetern in mittlerer Tiefe wurden hohe Frachten an PP festgestellt. DOP spielte von den untersuchten Fraktionen nur eine geringe Rolle. Im Nährstoffmanipulationsexperiment wurde die P-Dynamik im PF in Bezug zu den P-Vorräten der einzelnen Standorte gesetzt. Sowohl die Konzentrationen als auch die Frachten unterscheiden sich deutlicher zwischen den Standorten als durch die jeweiligen Nährstoffmanipulationen. Dies wird auch durch die statistische Analyse bestätigt. Allerdings sind die Standardabweichungen der Ergebnisse an allen Standorten aufgrund der starken Heterogenität der Fließwege in Waldböden sehr hoch. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass spannungsfreie Lysimeter für die Beprobung von PF und die Erfassung sowohl von Konzentrationen als auch von Frachten verschiedener P-Fraktionen geeignet sind. Darüber hinaus konnten erste Daten über die mittels PF im Boden verlagerten P-Frachten gewonnen werden. Es wurde deutlich, dass an P-armen Standorten P-Verluste aus dem Oberboden trotz hoher Mobilisierung verhindert werden. Gleichzeitig konnte das Potenzial für eine P-Verlagerung durch PFP, insbesondere in der Fraktion PP, nachgewiesen werden. Dieses Potenzial sollte weiter erforscht werden. Die Manipulationsexperimente ergaben keinen Hinweis auf einen Einfluss der veränderten Nährstoffbedingungen auf den P-Gehalt in PF. Allerdings war die Zahl der Proben sehr begrenzt, so dass weitere Studien erforderlich sind, um diese Aussage zu verallgemeinern

Combined Humeral Head and Shaft Fractures: Outcome Following Intramedullary Nailing and Plating

Background and Objectives: Combined fractures of the humeral head and shaft (FHS) are rare but frequently involve an intermuscular fracture as its characteristic pattern. The aim of this retrospective study was to investigate intramedullary nailed and plated FHS in terms of outcomes and complications. Materials and Methods: The present study included patients with FHS, treated via either intramedullary nailing or plating within a period of 10 years, with a minimum follow-up of 12 months. Functional outcome was assessed using the age- and sex-adapted Constant-Murley Score (CMS-K). Rates of complications and revision surgeries were registered. Results: Twenty-five patients (18 females, 7 males, age 60.1 ± 14.2 years, range 23-76 years) were included in the study. Nailing was performed in 16 patients (12 females, 4 males, age 62.6 ± 12.4 years), whereas plating was executed in nine patients (6 females, 3 males, age 55.8 ± 17.0 years). Follow-up among all patients was 45.1 ± 26.3 months (range 12-97 months). CMS-K was 70.3 ± 32.3 in the nailing group, with reoperation in four cases, and 76.0 ± 31.0 in the plating group, with one reoperation (p = 0.42). Patients with no metaphyseal fragment displacement (n = 19; CMS-K 76.7 ± 17.3) demonstrated significantly better functional outcomes versus those with secondary displacement of the metaphyseal fragments (n = 6; CMS-K 60.0 ± 17.1), p = 0.046. Conclusions: Comparable acceptable clinical outcome is obtained when comparing nailing with additional open cerclage or lag-screw fixation techniques versus plating with open reduction. However, a higher revision rate was observed after nailing. The correct metaphyseal fragment fixation seems to be crucial to avoid loss of reduction and hence the need for revision surgery, as well as a worse outcome

Antifibrotic Soluble Thy-1 Correlates with Renal Dysfunction in Chronic Kidney Disease

Kidney fibrosis is a major culprit in the development and progression of chronic kidney disease (CKD), ultimately leading to the irreversible loss of organ function. Thymocyte differentiation antigen-1 (Thy-1) controls many core functions of fibroblasts relevant to fibrogenesis but is also found in a soluble form (sThy-1) in serum and urine. We investigated the association of sThy-1 with clinical parameters in patients with CKD receiving hemodialysis treatment compared to individuals with a preserved renal function. Furthermore, Thy-1 tissue expression was detected in a mouse model of diabetic CKD (eNOS-/-; db/db) and non-diabetic control mice (eNOS-/-). Serum and urinary sThy-1 concentrations significantly increased with deteriorating renal function, independent of the presence of diabetes. Serum creatinine is the major, independent, and inverse predictor of serum sThy-1 levels. Moreover, sThy-1 is not only predicted by markers of renal function but is also itself an independent and strong predictor of markers of renal function, i.e., serum creatinine. Mice with severe diabetic CKD show increased Thy-1 mRNA and protein expression in the kidney compared to control animals, as well as elevated urinary sThy-1 levels. Pro-fibrotic mediators, such as interleukin (IL)-4, IL-13, IL-6 and transforming growth factor β, increase Thy-1 gene expression and release of sThy-1 from fibroblasts. Our data underline the role of Thy-1 in the control of kidney fibrosis in CKD and raise the opportunity that Thy-1 may function as a renal antifibrotic factor

Practical implementation of safe human-drone interaction: curve-shortening flow method for UAV evasion in hovering positions

Especially in high-wage countries, the increasing diversity of product customization requires flexible production systems. Indoor unmanned aerial vehicles (UAVs) offer considerable potential for material transport due to their minimal infrastructure requirements and the use of otherwise unused airspace. However, their safe operation in close proximity to humans still remains a challenge. At the same time, there are a wide variety of path planning algorithms to tackle this problem. One path planning algorithm that stands out for operating indoor UAVs is the curve-shortening flow method (CFM), which ensures safe and robust path planning due to its computational efficiency and numerically stable solvability. This paper examines the suitability of the CFM for static evasion scenarios. A static evasion scenario refers to an UAV in a predetermined static hovering position that automatically avoids approaching obstacles to prevent collisions and then returns to its previously commanded position. Three approaches to initializing the CFM are evaluated via simulations and real experiments. The results show that it is possible to use the CFM for static evasion scenarios without major adjustments. These findings pave the way for exploration of more complex implementations in dynamic and multiagent environments

Studying Users’ Perceptions of COVID-19 Mobile Applications in Saudi Arabia

In Saudi Arabia, several mitigating measures were implemented in response to the COVID-19 pandemic, including the creation of COVID-19 mobile applications (apps) for public use. The Saudi government has made the use of these apps mandatory for its citizens and residents. However, it is essential to explore the perception that common users have regarding using these apps in terms of usability and user experience. Therefore, this paper assesses user experience in terms of effectiveness, efficiency, and user satisfaction with the usability of the Saudi COVID-19 apps. The reviews of five mobile apps launched by the Saudi Data and AI Authority (SDAIA) and the Ministry of Health in the Apple Store were extracted using an online tool and analyzed using the content analysis method. The number of collected reviews was 29 for Sehha, 406 for Sehhaty, 442 for Mawid, 107 for Tabaud, and 1338 for Tawakkalna. The results of the study showed that Mawid (82%) and Tabaud (81%) had the highest usability of all the apps studied. Sehha (−138%) and Sehhaty (−107%) received the lowest usability scores, followed by Tawakkalna (−22%). Based on these results, we identified several usability issues with each app. Some of the main problems reported by users were increased battery drain, lack of privacy, and technical issues

Genetische Determinanten des Gewebetropismus von aviären Influenzaviren in unterschiedlichen Spezies

Einleitung: Aviäre Influenzaviren (AIV) gehören zu den Influenza A-Viren (IAV) und sind sehr wandelbar. Die Bandbreite der Erkrankungsverläufe reicht, abhängig von Faktoren wie Virussubtyp und -stamm oder der Wirtstierart, von einer asymptomatischen Erregerausscheidung, z. B. bei Wasservögeln, über ausgeprägte respiratorische Erkrankungen bei vielen Säugern einschließlich des Menschen bis hin zu systemischen Infektionen mit Nekrosen und Entzündungen in vielen Organen und hoher Letalität, häufig bei Hühnern und Puten und in Verbindung mit hochpathogenen AIV (HPAIV). Weltweit und auch in Deutschland dauert aktuell ein AIV-Ausbruch an, sodass eine Gefährdung für die Tiergesundheit und aufgrund des zoonotischen Potenzials auch für den Menschen besteht. Im Gegensatz zu galliformen Spezies steht bei anderen Vogelarten und insbesondere Säugern die Virulenz nicht in besonders enger Verbindung mit dem Vorhandensein einer polybasischen Spaltstelle des Hämagglutinins (HA), wobei die pathogenetische Grundlage dieser Virulenzunterschiede bisher wenig erforscht ist. Die vorliegende Arbeit ist Teil einer größeren tierexperimentellen Versuchsreihe zur näheren Charakterisierung von virulenzdeterminierenden Regionen des AIV-Genoms, insbesondere von Variationen in der Spaltstelle des HA und des Nichtstrukturproteins 1 (NS1), hinsichtlich ihres Einflusses auf Pathogenität, Virulenz und Gewebetropismus. Ziele der Untersuchungen: Die übergreifende Hypothese der Studien war, dass neben der Variation der Spaltstelle des HA weitere, im Genom der IAV kodierte Virulenzdeterminanten existieren, deren Auswirkungen tierartspezifisch unterschiedlich ausgeprägt sind. Ziel der ersten Studie war die Etablierung eines semiquantitativen Scoringsystems für die wichtigsten histopathologischen Veränderungen sowie die Verteilung des Virusantigens in verschiedenen Organen. Ziel der zweiten Studie war die Automatisierung der Messung des Virusantigens, um die Untersuchung einer höheren Probenzahl zu ermöglichen sowie einen schnellen Überblick über die jeweiligen Zielorgane zu erhalten. Ein weiteres Ziel aller vier vorgestellten Studien war die Anwendung der Methoden zur Untersuchung des Einflusses genetischer Variationen, insbesondere der Spaltstelle des HA sowie des NS1, auf den Gewebetropismus und den Grad der Läsionen in experimentellen Infektionen bei Hühnern, Puten und Enten. Tiere, Material und Methoden: In allen Studien wurden Gewebeproben verwendet, die aus verschiedenen, am Friedrich-Loeffler-Institut (Greifswald-Insel Riems) durchgeführten Infektionsexperimenten stammen. Gruppen von Hühnern, Puten und Enten wurden zur Untersuchung unterschiedlicher Fragestellungen mit einer Vielzahl an teilweise genetisch modifizierten AIV oculonasal oder intravenös infiziert: Insbesondere wurden H4-Viren mit Reassortment mit H5N1-Viren, H5N1-, H5N8- und H7N7-Wildtypviren, H9N2-Viren mit modifizierter HA-Spaltstelle sowie H7N1-Viren mit variabler Länge der C-terminalen Effektordomäne des NS1 näher betrachtet. Von einem Teil der infizierten Tiere wurde jeweils ein breites Organspektrum histopathologisch und immunhistochemisch untersucht. Zur Etablierung der semiquantitativen und quantitativen Untersuchungsmethoden sowie zur Analyse der Ergebnisse wurden die verfügbaren Gruppen aufgrund ihrer oft geringen Größe (2 bis 10 histopathologisch und immunhistochemisch untersuchte Tiere pro Gruppe) unter Berücksichtigung der jeweiligen Fragestellung teils zusammenfassend analysiert, wobei zum Teil auch Daten aus vorangegangenen Experimenten reevaluiert und miteinbezogen wurden. Ergebnisse der semiquantitativen Analysen aus verschiedenen Experimenten wurden mittels Kruskal-Wallis- und Mann-Whitney-U-Tests und die quantitativen Daten mittels Mann-Whitney-U- und Friedman-Tests miteinander verglichen sowie Spearman- und Pearson-Korrelationsanalysen durchgeführt. Ergebnisse: Es wurde ein semiquantitatives Scoringsystem zur Erfassung nekrotisierender Läsionen sowie der Virusverteilung in Parenchym- und Endothelzellen etabliert. Bei Anwendung dieses Systems zeigten sich teils signifikante, oft durch genetische Variationen in Virulenzfaktoren bedingte Unterschiede. So waren mit H7N7 HPAIV assoziierte, nekrotisierende Läsionen bei Puten größtenteils stärker ausgeprägt als bei Hühnern. Bei Hühnern zeigte sich zusätzlich ein Endotheltropismus. Dagegen fanden sich bei mit demselben Virus infizierten Enten keine nekrotisierenden Läsionen und kein Virusantigen. H9N2-Viren mit Variationen in der Spaltstelle des HA unterschieden sich insbesondere in der Schwere der klinischen Erkrankung bei Puten sowie im Verhalten in zellkulturbasierten Analysen. Bei einer Infektion von Puten mit H7N1-Viren, die eine variable Länge des NS1 aufwiesen, fand sich für die untersuchten Varianten eine systemische Streuung des Virusantigens mit Nekrosen bzw. nekrotisierender Entzündung und einer Depletion der lymphatischen Organe in ähnlicher Ausprägung. Auch bei weiteren Untersuchungen, z. B. bezüglich des Schweregrads der klinischen Erkrankung sowie der Virusreplikation, zeigten sich keine signifikanten Unterschiede. Zudem wurde eine automatisierte Organauswahl sowie eine anschließende schwellenwertbasierte Messung des Virusantigens für sechs verschiedene Organe entwickelt. Auch hier fanden sich teils signifikante Unterschiede hinsichtlich des Gewebetropismus im Zusammenhang mit dem Infektionsweg. Die Ergebnisse der semiquantitativen und der quantitativen Untersuchungsmethoden zeigten eine signifikante positive Korrelation sowohl untereinander als auch jeweils mit Daten aus einer quantitativen reversen Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR). Schlussfolgerungen: Die hier vorgestellten semiquantitativen und quantitativen Methoden wurden validiert und zeigten eine Korrelation mit bisher verwendeten Untersuchungsmethoden sowie eine breite Anwendbarkeit, wenngleich eine Erprobung und Etablierung an einer größeren Probenzahl und Gruppengröße der Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein sollte. In den vorgestellten Studien konnte gezeigt werden, dass die polybasische Spaltstelle des HA die wichtigste Determinante für die Virulenz und den Endotheltropismus von H7N7 HPAIV bei Hühnern darstellt, jedoch nicht alle vorhandenen Virulenzunterschiede bei Puten und Enten erklären kann. Zudem weist die untersuchte genetische Variation der Spaltstelle des HA von H9N2 einen quantitativen Effekt auf die Virulenz in Puten auf. Die C-terminale Effektordomäne des NS1 scheint bei Puten hingegen keine wesentliche Rolle für die Virulenz und den Gewebetropismus zu spielen. Auch andere Faktoren wie der Infektionsweg können einen Einfluss auf die Virusverteilung nehmen. Wenngleich in diagnostischen Einzelfällen aufgrund der inhärenten Variabilität der Immunhistochemie eine qualitative Untersuchung das Mittel der Wahl bleibt, weisen die hier vorgestellten semiquantitativen und quantitativen Methoden aufgrund ihrer studienübergreifenden Anwendbarkeit sowie ihrer biometrischen Auswertbarkeit entscheidende Vorteile für den Einsatz im experimentellen Bereich auf

Interactive 3D Visualisations of the Mont Terri Underground Research Laboratory

This thesis demonstrates how interactive 3D visualisations of underground research laboratories (URL) can support the diverse stakeholders of research on the final disposal of radioactive waste. The work conducted in underground research laboratories plays an invaluable role in the research and development of safe solutions for the final disposal of radioactive waste. The thesis presents three interactive 3D visualisation systems for the Mont Terri URL. The first project focuses on domain experts, who encounter numerous challenges when attempting to visualise the research data generated in URLs. Three main issues were identified and tackled by developing a tailored interactive visualisation system, called VEIS: Firstly, the data obtained at the test site is often available only to researchers directly involved in the specific experiment. Secondly, the visualisation techniques typically employed by domain scientists often lack the larger spatial context. Thirdly, accessing and exploring the data requires prior technical knowledge. The VEIS digitally replicates the Mont Terri laboratory and integrates highly heterogeneous data (e.g. simulation results and observation data) from several sources. The 4D visualisation approach focuses on three exemplary experiments. It facilitates the visual exploration of research data sets and promotes exchange among research groups. In the second project, the focus was on intermediates, i.e. stakeholders with less prior knowledge than domain experts. The VEIS was employed as a foundation for the development of a virtual field trip on the subject of radioactive waste management research for the purpose of university education. For this purpose, we enhanced the existing system with additional background information, illustrations, tasks, tests, and an improved user interface. To put the tour's content into context, a conventional introductory presentation on the final disposal of radioactive waste was added. We then evaluated the virtual field trip in a user study with 22 participants. It proved a good perceived usability of the virtual tour and the virtual field trip's ability to transfer knowledge. These results support the findings of previous work that suggest a benefit of employing virtual field trips in geoscientific university courses. The third project focuses on science communication and combines the concepts of serious games and virtual field trips for this purpose. The design, implementation, and evaluation of VR-EX, an immersive virtual reality application that focuses on the electrical resistivity tomography measurements within the CD-A experiment are described in detail. VR-EX enables users to actively re-enact the measurements from planning to execution to analysis of the results, and in this way implements an active and playful learning approach. VR-EX presents the highly relevant work conducted in underground research laboratories to society in an active and appealing way, which is crucial to increase understanding of scientific processes and boost interest. A user study with 35 participants proves the overall good quality of the application and its high effectiveness in terms of knowledge transfer. The high levels of engagement, joy, and immersion reported by the users indicate the potential benefits of employing immersive virtual reality for engaging and effective science communication