Development of strategies for the prioritization of organic trace substances in water by effect-directed analysis

The protection of the aquatic environment and the supply of clean drinking water to people all over the world are central challenges of our time. Monitoring of the aquatic environment and the input of anthropogenic trace substances into it is therefore very important. However, since aquatic environmental samples often consist of complex substance mixtures, their characterization and evaluation is very demanding. By using generic target analysis methods, selected known anthropogenic trace substances can be detected and quantified very sensitively. For the detection of previously unknown substances, non-target analysis methods have been increasingly used in recent years. However, these methods do not provide information on the relevance of the anthropogenic trace substances occurring in water. In this context, especially all those trace substances are regarded as relevant from which a harmful effect on humans or water organisms is to be expected. For the detection of such effective substances, effect-directed analysis (EDA) can be used. In EDA, a bioassay is combined with a fractionation method and subsequent chemical analysis, the aim being to identify the bioactive substance. The separation method used in this work is high-performance thin-layer chromatography (HPTLC). After chromatography, the bioassay is performed directly on the HPTLC plate. If an effective zone appears in the bioassay, a prioritization strategy is used to clarify the identity of the substance. Due to the complex aquatic samples, a large number of different substances in a zone must still be expected despite the applied HPTLC separation, which makes it difficult to identify the effective substance. Therefore, a strategy to simplify the identification of effective substances should be developed. The aim was to reduce the complexity by multidimensional separation in such a way that chemical analysis can be used to prioritize to a few candidates in the effective fraction. In the first part of the work, a selective two-dimensional HPTLC separation was developed to reduce the number of substances in a bioactive zone. After the first separation dimension (1D) the acetylcholinesterase inhibition assay (AChE assay) was performed and afterwards only the effective zones were extracted from the HPTLC plate. The selected effective zones were separated in a second separation dimension (2D) and the bioassay was performed again. With this 2D separation, the peak capacity could be increased by a factor of 7 compared to a 1D HPTLC gradient development. If real water samples are examined for their effects, an additional structural elucidation must be carried out to clearly identify the unknown bioactive substances. In this work, the developed 2D EDA was therefore connected to a high-performance liquid chromatography (HPLC) with high-resolution mass spectrometry (HRMS) and a non-target screening (NTS) was performed. Using three water samples(drinking water, surface water and purified sewage water) spiked with six effective substances, it was shown that the developed strategy is suitable for the identification of effective substances and that these can be recovered despite repeated extraction. When applying the developed methodology to real samples, it was also possible to assign and quantify the detected effect in several waters to the substance lumichrome and to linear alkylbenzene sulfonates. Genotoxicity is a crucial endpoint for the effect assessment of water samples. However, this endpoint with metabolic activation cannot yet be performed directly on the HPTLC plate. Since many of the genotoxic substances have an indirect genotoxic effect, i.e. they only acquire their activity after metabolic activation; this endpoint was investigated in the present work with the umu assay in the microtiter plate. However, separation with HPTLC, subsequent extraction of effective zones and non-target analysis of the extracts, should also be performed for this assay. Therefore the umu assay in the microtiter plate was integrated into the existing EDA-with-HPTLC concept. In laboratory experiments, sodium hypochlorite was added to the drug metformin in order to simulate the behavior of the substance during water treatment (chlorination). The metformin sample treated with hypochlorite was examined with the umu assay and a genotoxic effect was detected. After HPTLC separation of the chlorinated sample, zones were extracted over the entire retardation range. When the extracted zones were examined with the umu assay, the genotoxic effect could be clearly assigned to one fraction. Using high-resolution mass spectrometry, the genotoxic effect could be assigned to an already known transformation product of metformin. The HPTLC separation and extraction of the zones from the plate led to a reduction of the possible effective candidate masses by a factor of 10 and thus to a clear prioritization in HRMS analysis.Der Schutz der aquatischen Umwelt und die Versorgung der Menschen auf der ganzen Welt mit sauberem Trinkwasser sind zentrale Herausforderungen unserer Zeit. Daher ist die Überwachung der aquatischen Umwelt und des Eintrags von anthropogenen Spurenstoffen in diese von wichtiger Bedeutung. Durch den Einsatz klassischer Target-Analysemethoden können ausgewählte, bekannte anthropogene Spurenstoffe sehr empfindlich detektiert werden. Für die Detektion bislang unbekannter Substanzen werden Non-Target-Analysemethoden eingesetzt. Allerdings liefern diese Methoden keine Aussagen zur Relevanz der im Wasser vorkommenden anthropogenen Spurenstoffe. Als relevant gelten in diesem Zusammenhang all jene Spurenstoffe, von denen eine schädliche Wirkung auf den Menschen oder im Wasser lebende Organismen zu erwarten ist. Zur Detektion wirkender Substanzen kann die Wirkungsbezogene Analytik (WBA) verwendet werden. Bei der WBA wird ein Bioassay mit einer Fraktionierungsmethode und anschließender chemischer Analyse kombiniert, wobei das Ziel die Identifizierung der bioaktiven Substanz ist. Als Fraktionierungsmethode wurde in dieser Arbeit die Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC) angewandt. Nach der Chromatographie wird der Bioassay direkt auf der HPTLC-Platte durchgeführt. Tritt im Bioassay eine wirkende Zone auf, so soll mithilfe einer Priorisierungsstrategie die Identität der Substanz aufgeklärt werden. Aufgrund der komplexen aquatischen Proben muss trotz der angewandten HPTLC-Trennung in einer wirkenden Zone noch immer mit einer Vielzahl verschiedener Substanzen gerechnet werden, die eine Identifizierung der wirkenden Substanz erschweren. Es sollte aus diesem Grund eine Strategie zur Vereinfachung der Identifizierung von wirkenden Substanzen entwickelt werden. Ziel war es, die Komplexität durch mehrdimensionale Trennung so zu verringern, dass mithilfe der chemischen Analyse auf wenige Kandidaten in der wirkenden Zone priorisiert werden kann. Im ersten Teil der Arbeit wurde zur Reduktion der Anzahl von Substanzen in einer bioaktiven Zone eine selektive zweidimensionale HPTLC-Trennung entwickelt. Nach der ersten Trenndimension (1D) wurde der Acetylcholinesterase-Hemmtest (AChE-Assay) durchgeführt und anschließend die wirkenden Zonen von der HPTLC-Platte extrahiert. Die ausgewählten wirkenden Zonen wurden in einer zweiten Trenndimension (2D) nochmals aufgetrennt und abermals der Bioassay durchgeführt. Die Peakkapazität konnte durch diese 2D-Trennung im Vergleich zu einer 1D-HPTLC Gradientenentwicklung um den Faktor 7 gesteigert werden. Wenn reale Wasserproben wirkungsbezogenen untersucht werden, muss für eine eindeutige Identifizierung der unbekannten bioaktiven Substanzen zusätzlich eine Strukturaufklärung durchgeführt werden. In dieser Arbeit wurde deshalb die entwickelte 2D-WBA an eine Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) mit hochauflösender Massenspektrometrie (HRMS) angebunden und ein Non-Target-Screening (NTS) durchgeführt. Am Beispiel dreier mit sechs wirkenden Substanzen dotierter Wasserproben konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelte Strategie für die Identifizierung wirkender Substanzen eignet und dass diese trotz mehrmaliger Extraktion wiedergefunden werden können. Bei der Anwendung der entwickelten Methodik auf Realproben gelang es, in mehreren Wässern die detektierte Wirkung der Substanz Lumichrome sowie linearen Alkylbenzolsulfonaten zuzuordnen. Für die Beurteilung der Wirkungen von Wasserproben ist die Gentoxizität ein entscheidender Endpunkt. Allerdings kann dieser Endpunkt mit metabolischer Aktivierung bislang nicht direkt auf der HPTLC-Platte durchgeführt werden. Da jedoch viele der gentoxischen Substanzen indirekt gentoxisch wirken, wurde dieser Endpunkt mit dem umu-Assay in der Mikrotiterplatte untersucht. Jedoch sollten auch für diesen Assay eine Fraktionierung mit der HPTLC, eine anschließende Extraktion wirkender Zonen und Non-Target-Analyse der Extrakte erfolgen. Dazu wurde der umu-Assay in der Mikrotiterplatte in das bestehende WBA-mit-HPTLC-Konzept integriert. Im Laborexperiment wurde das Arzneimittel Metformin mit Natriumhypochlorit versetzt, um damit das Verhalten der Substanz während der Wasseraufbereitung nachzustellen. Die mit Hypochlorit umgesetzte Metforminprobe wurde mit dem umu-Assay untersucht, wobei eine gentoxische Wirkung detektiert werden konnte. Nach der HPTLC-Trennung der gechlorten Probe wurden anschließend Zonen über den gesamten Retardationsbereich extrahiert. Bei der Untersuchung der extrahierten Zonen mit dem umu-Assay konnte der gentoxische Effekt eindeutig einer Fraktion zugeordnet werden. Mittels hochauflösender Massenspektrometrie gelang es, den gentoxischen Effekt einem bereits beschriebenen Transformationsprodukt von Metformin nachzuweisen. Die HPTLC-Trennung und Extraktion der Zonen von der Platte führte zu einer Reduktion der möglichen wirkenden Kandidatenmassen um den Faktor 10 und somit zu einer deutlichen Priorisierung bei der HRMS-Analyse

BLACK BOX EFFICIENCY MODELLING OF AN ELECTRIC DRIVE UNIT UTILIZING METHODS OF MACHINE LEARNING

The increasing electrification of powertrains leads to increased demands for the test technology to ensure the required functions. For conventional test rigs in particular, it is necessary to have knowledge of the test technology's capabilities that can be applied in practical testing. Modelling enables early knowledge of the test rigs dynamic capabilities and the feasibility of planned testing scenarios. This paper describes the modelling of complex subsystems by experimental modelling with artificial neural networks taking transmission efficiency as an example. For data generation, the experimental design and execution is described. The generated data is pre-processed with suitable methods and optimized for the neural networks. Modelling is executed with different variants of the inputs as well as different algorithms. The variants compare and compete with each other. The most suitable variant is validated using statistical methods and other adequate techniques. The result represents reality well and enables the performance investigation of the test systems in a realistic manner

Modelling convection in A star atmospheres. Bisectors and lineshapes of HD108642

We present a code, VeDyn, for modelling envelopes and atmospheres of A to F stars focusing on accurate treatment of convective processes. VeDyn implements the highly sophisticated convection model of Canuto and Dubovikov (1998) but is fast and handy enough to be used in practical astrophysical applications. We developed the HME envelope solver for this convection model furtheron to consistently model the envelope together with the stellar atmosphere. The synthesis code SynthV was extended to account for the resulting velocity structure. Finally, we tested our approach on atomic line bisectors. It is shown that our synthetic line bisectors of HD108642 bend towards the blue and are of a magnitude comparable to the observed ones. Even though this approach of modelling convection requires the solution of a coupled system of nonlinear differential equations, it is fast enough to be applicable to many of the investigation techniques relying on model atmospheres.Comment: 3 pages, 3 figure

Stake Shift in Major Cryptocurrencies: An Empirical Study

In the proof-of-stake (PoS) paradigm for maintaining decentralized, permissionless cryptocurrencies, Sybil attacks are prevented by basing the distribution of roles in the protocol execution on the stake distribution recorded in the ledger itself. However, for various reasons this distribution cannot be completely up-to-date, introducing a gap between the present stake distribution, which determines the parties' current incentives, and the one used by the protocol. In this paper, we investigate this issue, and empirically quantify its effects. We survey existing provably secure PoS proposals to observe that the above time gap between the two stake distributions, which we call stake distribution lag, amounts to several days for each of these protocols. Based on this, we investigate the ledgers of four major cryptocurrencies (Bitcoin, Bitcoin Cash, Litecoin and Zcash) and compute the average stake shift (the statistical distance of the two distributions) for each value of stake distribution lag between 1 and 14 days, as well as related statistics. We also empirically quantify the sublinear growth of stake shift with the length of the considered lag interval. Finally, we turn our attention to unusual stake-shift spikes in these currencies: we observe that hard forks trigger major stake shifts and that single real-world actors, mostly exchanges, account for major stake shifts in established cryptocurrency ecosystems.Comment: 20 pages, 8 figures, 2 tables, paper accepted for publication at Financial Cryptography and Data Security 2020 (FC 2020, see https://fc20.ifca.ai

Representing gender and the body in narrative non-fiction picturebooks for children and young adults: Insight into decisionmaking by publishers, authors and illustrators

Dieser Beitrag widmet sich anhand der Analyse von vier aktuellen Sachbilderbüchern, die zwischen 2017 und 2021 zum Thema Körper erschienen sind, der Frage des Darstellbaren und Kindgerechten. Wessen Körper werden wie abgebildet und warum? Dabei wird zunächst vor allem die politisch-gesellschaftliche Ebene beleuchtet. Sie bildet die Grundlage, auf die sich die These stützt, dass Sachbilderbücher in erster Linie Spiegel dessen sind, was als Norm oder gerade noch akzeptierte Abweichung verhandelt wird und worüber man sich als Erwachsene*r (mit Kindern) zu sprechen traut. Autor*innen, Illustrator*innen und Mitarbeiter*innen in Verlagen kommen somit in die Rolle, entscheiden zu müssen, was von Erwachsenen für Kinder gekauft wird und vermarktbar ist, sowie subversive Potenziale von Identifikationsmöglichkeiten auszuloten.This article analyzes four current non-fiction picturebooks published between 2017 and 2021 on the topic of the body and addresses the question of what can be depicted and what is appropriate for children. Whose bodies are depicted and how, and why? First of all, the political-social level will be illuminated. This forms the basis for the thesis that non-fiction picture books are first and foremost a mirror of what is negotiated as the norm or just barely accepted deviation and what adults (with children) dare to talk about. Authors, illustrators, and employees in publishing houses thus find themselves in the role of having to decide what is most likely to be bought by adults for children and what is marketable, as well as to explore subversive potentials of identification possibilities

La educación intercultural como respuesta a la diversidad en las aulas

Die Arbeit geht der Frage nach, ob und wie das Konzept der interkulturellen Erziehung in Spanien umgesetzt wird

"Stell dir vor – Kirche". Eine Kommunikationskampagne der Diözese Linz

Die Aufgabenstellung der kirchlichen Öffentlichkeitsarbeit im deutschsprachigen Raum ist stark von zwei miteinander in Zusammenhang stehenden Problemen geprägt: Die Mitgliederzahlen sind sowohl bei der evangelischen als auch katholischen Kirche im deutschsprachigen Raum rückläufig; und die verbliebenen Mitglieder sind mehrheitlich kaum noch in Kontakt mit den kirchlichen Institutionen; viele unter ihnen haben den Kirchenaustritt bereits ernsthaft in Erwägung gezogen.l Da die latente Gefahr des Austritts bei der Gruppe der kirchlich distanzierten Kirchenmitglieder am größten ist, sind vermehrte Anstrengungen in der kirchlichen Öffentlichkeitsarbeit bei dieser Zielgruppe eine logische Folge. Seit Anfang 1990 setzt man deshalb bei den christlichen Kirchen insbesondere auf Kommunikationskampagnen, mit deren Hilfe man wieder positiv auf sich aufmerksam machen und das eigene Image verbessern will – letztendlich sollen die Mitglieder dadurch vom Kirchenaustritt abgehalten werden. (...

Konzeption und Aufbau eines Didaktikpraktikums zur Digitalisierung für Lehramtsstudierende

Physiklehrer müssen bei der Durchführung von Experimenten im Schulunterricht viele verschiedene fachliche und fachdidaktische Einzelheiten kennen, verwenden und einschätzen können. Mit der Erweiterung der Fachdidaktik im Lehramtsstudium in Baden-Württemberg ist in der Fachdidaktik ein weiteres Modul im Masterstudium hinzugekommen. Thematisch soll sich der erste Abschnitt des Moduls mit der Einführung und dem Vergleich verschiedener Systeme zur Digitalisierung von Experimenten befassen. In diesem Wintersemester wurde nun das Konzept dafür mit einer Gruppe von 8 Studierenden getestet. Hier wird nun das Konzept anhand eines exemplarischen Beispielsvorgestellt und die ersten Eindrücke präsentiert