Hypernuclear No-Core Shell Model

We extend the No-Core Shell Model (NCSM) methodology to incorporate strangeness degrees of freedom and apply it to single-$\Lambda$ hypernuclei. After discussing the transformation of the hyperon-nucleon (YN) interaction into Harmonic-Oscillator (HO) basis and the Similarity Renormalization Group transformation applied to it to improve model-space convergence, we present two complementary formulations of the NCSM, one that uses relative Jacobi coordinates and symmetry-adapted basis states to fully exploit the symmetries of the hypernuclear Hamiltonian, and one working in a Slater determinant basis of HO states where antisymmetrization and computation of matrix elements is simple and to which an importance-truncation scheme can be applied. For the Jacobi-coordinate formulation, we give an iterative procedure for the construction of the antisymmetric basis for arbitrary particle number and present the formulae used to embed two- and three-baryon interactions into the many-body space. For the Slater-determinant formulation, we discuss the conversion of the YN interaction matrix elements from relative to single-particle coordinates, the importance-truncation scheme that tailors the model space to the description of the low-lying spectrum, and the role of the redundant center-of-mass degrees of freedom. We conclude with a validation of both formulations in the four-body system, giving converged ground-state energies for a chiral Hamiltonian, and present a short survey of the $A\le7$ hyper-helium isotopes.Comment: 17 pages, 8 figures; accepted versio

Ab Initio Description of p-Shell Hypernuclei

We present the first ab initio calculations for p-shell single-Lambda hypernuclei. For the solution of the many-baryon problem, we develop two variants of the no-core shell model with explicit $\Lambda$ and $\Sigma^+$, $\Sigma^0$, $\Sigma^-$ hyperons including $\Lambda$-$\Sigma$ conversion, optionally supplemented by a similarity renormalization group transformation to accelerate model-space convergence. In addition to state-of-the-art chiral two- and three-nucleon interactions, we use leading-order chiral hyperon-nucleon interactions and a recent meson-exchange hyperon-nucleon interaction. We validate the approach for s-shell hypernuclei and apply it to p-shell hypernuclei, in particular to $^7_\Lambda$Li, $^9_\Lambda$Be and $^{13}_\Lambda$C. We show that the chiral hyperon-nucleon interactions provide ground-state and excitation energies that agree with experiment within the cutoff dependence. At the same time we demonstrate that hypernuclear spectroscopy provides tight constraints on the hyperon-nucleon interactions and we discuss the impact of induced hyperon-nucleon-nucleon interactions.Comment: 6 pages, 4 figure

Formation of Amorphous Silica Surface Layers by Dissolution-Reprecipitaton During Chemical Weathering: Implications for CO2 Uptake

AbstractChemical weathering reactions at the Earth's surface and upper crust influence the chemical cycle of elements, chemical erosion rates, the quality of potable water resources, soil formation and nutrient availability, and ore genesis. Chemical weathering is also a major process controlling the regulation of the carbon cycle by CO2 consumption and sequestration by carbonation reactions. Based on nanometer-resolution TEM measurements, chemical weathering of silicates in both the laboratory and the field was found to result in the development of a distinct interfacial phase that is amorphous, hydrated, and silica-rich. An abrupt, step function-like change in chemistry and structure delimits the interface with the unaltered parent mineral, suggesting a dissolution-reprecipitation mechanism. The existence of these precipitated silica layers has important and so far unrecognized implications with respect to natural and industrial carbon sequestration processes, as surface silica layers may decrease the amount of atmospheric CO2 consumed during coupled silicate chemical weathering-carbonation reactions

Biogáz termelő mikroorganizmus közösségek vizsgálata metagenomikai megközelítéssel

A biogáz fermentorban élő mikroba közösség ismeretének, illetve a közöttük kialakuló kapcsolatok feltérképezésének jelentős szerepe van a komplex mikrobiális folyamat megértésében és hatékonyabbá tételében. A metagenomikai módszerek olyan új megoldást nyújtanak, melynek segítségével betekintést nyerhetünk ilyen összetett életközösségek működésébe. Biogáz üzem szimulációs kísérletemben olyan paramétereket állítottunk be, melyek az ipari biogáz üzemeket tükrözik. A metagenom vizsgálathoz az Applied Biosystems SOLiD újgenerációs szekvenátorát használtam, melyet még nem alkalmaztak ilyen fajta közösségi vizsgálatokra. E módszer segítségével nagy mennyiségű és jó minőségű adatokat kaptam. A biogáz fermentorban rendezett, egymásra épülő mikrobiális rendszert tártam fel. Az adatok elemzése alapján a cellulóz tartalmú biomassza bontásában és másodlagos fermentációjábana Firmicutes és a Bacteroides törzsek tagjai játszanak fontos szerepet. A Firmicutes törzsön belül a Clostridia nemzetség tagjai vannak túlnyomó többségben, melyek cellulolitikus és gyakran hidrogén termelő tulajdonsággal rendelkeznek. Ezért szerepük a hatékony cellulózbontásban és hasznosításban valószínűleg jelentős. Az Archaea doménben a Methanomicrobiales rend képviselői voltak túlsúlyban, mely rendben a Methanoculleus marisnigri hidrogenotróf metanogén volt többségben. A metagenom vizsgálat eredményeit alátámasztják korábbi vizsgálatok is, melyeket újgenerációs 454 típusú szekvenátorral végeztek, így a metagenomikai módszerek ilyen komplex mikrobiális közösségek vizsgálatában reprodukálhatónak és validálhatónak bizonyultak A biogáz gyáraknak jelentős költséget jelent a kukorica szilázs előállítása, így az iparágnak szüksége van alternatív megoldásokra, melyeknél fontos szempont a hatékonyság megtartása is. Egy tipikus mikroalga faj fő összetevői között megtalálhatunk minden olyan komponenst, melyek kiváló tápanyagok a biogáz termelő mikroba közösség számára. A mikroalga biomasszát felhasználhatjuk közvetetten más célra hasznosítható anyagok kinyerése után, illetve közvetlenül biogáz fermentációra. A közvetett felhasználást vizsgáló fermentációban mikoralga keveréket és azok szintrófjait használtam fel biogáz előállításra. A vizsgálat alapján elmondható, hogy a mikroalga keverék alacsony C/N aránya miatt a biogáz mennyisége elmarad a kukorica szilázshoz képest, bár minősége jobb. A fermentáció két hónapig stabilan működött, a mikroalga fermentációja során annak magas N tartalma miattammónium növekedést tapasztaltam. A kofermentációban ez a hatás kompenzálódik. Ebből arra a következtetésre jutottam, hogy az alacsony C/N arányú mikroalgát kofermentációban érdemes fermentálni. A metagenom eredmények alapján a mikroalgával együtt bevitt szintróf organizmusok kiszorítják, illetve elfedik a fermentorban élő természetes közösséget. Az Archaea doménben a Methanosarcinales rend dominanciáját figyeltem meg a fermentáció teljes ideje alatt. A fotoautotróf módon tenyésztett Scenedesmus obliquus mikroalga faj magasabb C/N aránnyal rendelkezik, mint az előző kísérletben használt mikroalga keverék. Fermentációja során nem tapasztaltam jelentős ammóniumkoncentráció növekedést. A tiszta alga biomasszából keletkezett biogáz mennyisége körülbelül megegyezik a mikroalga keverékével, illetve a gáz összetétele is hasonló. A fermentációk a három hónapos működési idő alatt stabilan működtek. A Sc. obliquus vastag sejtfala miatt a fermentor mikrobái az alga biomasszát lassabban képesek bontani. Így annak ellenére, hogy nem történt már további biomassza bevitel az utolsó hónapban, mégis jelentős mennyiségű biogáz termelődött. Ennek alapján az ilyen típusú mikroalgák fermentációja során hosszabb retenciós idő alkalmazása látszik indokoltnak. A kofermentációból keletkező metán mennyisége az előző kísérlethez hasonlóan magasabb, mint a monoszubsztrátként adagolt mikroalgáé. Ezek az eredmények összefügghetnek a kofermentációban a szubsztrát adagolási időszakban tapasztalt Clostridiales rend relatív többségével, mely hatékonyan képes bontani a mikroalga biomasszát. A fermentáció teljes ideje alatt az Archaea doménben a Methanosarcinales rend dominanciáját figyeltem meg, mely a metánképződéshez vezető anyagcsere útvonalak sokféleségét támasztják alá. A dolgozatban bemutatott adatok szerint a metagenomikai módszerek biogáz termelő közösségek vizsgálatában reprodukálhatóak és validálhatóak. A biogáz iparban a kukorica szilázs kiváltására ígéretes jelölt a mikroalga biomassza, azonban annak fajtája és alkalmazási technológiája befolyásolja a hatékonyságot. A legelőnyösebb alkalmazási mód a kofermentáció

Regionally Distinct Alterations in the Composition of the Gut Microbiota in Rats with Streptozotocin-Induced Diabetes

The aim of this study was to map the microbiota distribution along the gut and establish whether colon/faecal samples from diabetic rats adequately reflect the diabetic alterations in the microbiome. Streptozotocin-treated rats were used to model type 1 diabetes mellitus (T1D). Segments of the duodenum, ileum and colon were dissected, and the microbiome of the lumen material was analysed by using next-generation DNA sequencing, from phylum to genus level. The intestinal luminal contents were compared between diabetic, insulin-treated diabetic and healthy control rats. No significant differences in bacterial composition were found in the luminal contents from the duodenum of the experimental animal groups, whereas distinct patterns were seen in the ileum and colon, depending on the history of the luminal samples. Ileal samples from diabetic rats exhibited particularly striking alterations, while the richness and diversity obscured some of the modifications in the colon. Characteristic rearrangements in microbiome composition and diversity were detected after insulin treatment, though the normal gut flora was not restored. The Proteobacteria displayed more pronounced shifts than those of the predominant phyla (Firmicutes and Bacteroidetes) in the rat model of T1D. Diabetes and insulin replacement affect the composition of the gut microbiota in different, gut region-specific manners. The luminal samples from the ileum appear more suitable for diagnostic purposes than the colon/faeces. The Proteobacteria should be at the focus of diagnosis and potential therapy. Klebsiella are recommended as biomarkers of T1D

Improvement of Biogas Production by Bioaugmentation

Biogas production technologies commonly involve the use of natural anaerobic consortia of microbes. The objective of this study was to elucidate the importance of hydrogen in this complex microbial food chain. Novel laboratory biogas reactor prototypes were designed and constructed. The fates of pure hydrogen-producing cultures of Caldicellulosiruptor saccharolyticus and Enterobacter cloacae were followed in time in thermophilic and mesophilic natural biogas-producing communities, respectively. Molecular biological techniques were applied to study the altered ecosystems. A systematic study in 5-litre CSTR digesters revealed that a key fermentation parameter in the maintenance of an altered population balance is the loading rate of total organic solids. Intensification of the biogas production was observed and the results corroborate that the enhanced biogas productivity is associated with the increased abundance of the hydrogen producers. Fermentation parameters did not indicate signs of failure in the biogas production process. Rational construction of more efficient and sustainable biogas-producing microbial consortia is proposed

Light neutron-rich hypernuclei from the importance-truncated no-core shell model

We explore the systematics of ground-state and excitation energies in singly-strange hypernuclei throughout the helium and lithium isotopic chains — from ⋀⁵He to ⋀¹¹He and from ⋀⁷Li to ⋀¹²Li — in the ab initio no-core shell model with importance truncation. All calculations are based on two- and threebaryon interaction from chiral effective field theory and we employ a similarity renormalization group transformation consistently up to the three-baryon level to improve the model-space convergence. While the absolute energies of hypernuclear states show a systematic variation with the regulator cutoff of the hyperon–nucleon interaction, the resulting neutron separation energies are very stable and in good agreement with available data for both nucleonic parents and their daughter hypernuclei. We provide predictions for the neutron separation energies and the spectra of neutron-rich hypernuclei that have not yet been observed experimentally. Furthermore, we find that the neutron drip lines in the helium and lithium isotopic chains are not changed by the addition of a hyperon