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Background: While the use of plastic materials has generated huge societal benefits, the "plastic age" comes with downsides: One issue of emerging concern is the accumulation of plastics in the aquatic environment. Here, so-called microplastics (MP), fragments smaller than 5 mm, are of special concern because they can be ingested throughout the food web more readily than larger particles. Focusing on freshwater MP, we briefly review the state of the science to identify gaps of knowledge and deduce research needs.
State of the science: Environmental scientists started investigating marine (micro)plastics in the early 2000s. Today, a wealth of studies demonstrates that MP have ubiquitously permeated the marine ecosystem, including the polar regions and the deep sea. MP ingestion has been documented for an increasing number of marine species. However, to date, only few studies investigate their biological effects. The majority of marine plastics are considered to originate from land-based sources, including surface waters. Although they may be important transport pathways of MP, data from freshwater ecosystems is scarce. So far, only few studies provide evidence for the presence of MP in rivers and lakes. Data on MP uptake by freshwater invertebrates and fish is very limited.
Knowledge gaps: While the research on marine MP is more advanced, there are immense gaps of knowledge regarding freshwater MP. Data on their abundance is fragmentary for large and absent for small surface waters. Likewise, relevant sources and the environmental fate remain to be investigated. Data on the biological effects of MP in freshwater species is completely lacking. The accumulation of other freshwater contaminants on MP is of special interest because ingestion might increase the chemical exposure. Again, data is unavailable on this important issue.
Conclusions: MP represent freshwater contaminants of emerging concern. However, to assess the environmental risk associated with MP, comprehensive data on their abundance, fate, sources, and biological effects in freshwater ecosystems are needed. Establishing such data critically depends on a collaborative effort by environmental scientists from diverse disciplines (chemistry, hydrology, ecotoxicology, etc.) and, unsurprisingly, on the allocation of sufficient public funding.
One current goal in native mass spectrometry is the assignment of binding affinities to noncovalent complexes. Here we introduce a novel implementation of the existing laser-induced liquid bead ion desorption (LILBID) mass spectrometry method: this new method, LILBID laser dissociation curves, assesses binding strengths quantitatively. In all LILBID applications, aqueous sample droplets are irradiated by 3 µm laser pulses. Variation of the laser energy transferred to the droplet during desorption affects the degree of complex dissociation. In LILBID laser dissociation curves, laser energy transfer is purposely varied, and a binding affinity is calculated from the resulting complex dissociation. A series of dsDNAs with different binding affinities was assessed using LILBID laser dissociation curves. The binding affinity results from the LILBID laser dissociation curves strongly correlated with the melting temperatures from UV melting curves and with dissociation constants from isothermal titration calorimetry, standard solution phase methods. LILBID laser dissociation curve data also showed good reproducibility and successfully predicted the melting temperatures and dissociation constants of three DNA sequences. LILBID laser dissociation curves are a promising native mass spectrometry binding affinity method, with reduced time and sample consumption compared to melting curves or titrations.
Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse: Zur Erschließung des Themas Lebensmittelverpackungen im Chemieunterricht wurde zunächst eine grundlegende fachliche Recherche durchgeführt, um mögliche thematische Schwerpunkte zu identifizieren und Grundlagen für eine experimentelle Zugänglichkeit zu erarbeiten. Parallel hierzu wurde der derzeitige Stand der fachdidaktischen Forschung unter besonderer Berücksichtigung des Themas Lebensmittelverpackungen erhoben. Es zeigte sich, dass nur vereinzelt auf diese Themenstellung eingegangen wird. Dabei steht allerdings, wie etwa bei dem Recycling von Joghurtbechern, die stoffliche Weiterverwendung von Abfällen im Vordergrund, während die Anforderungen an die Eigenschaften einer Verpackung keine Rolle spielen. Daher erfahren Bau und Funktion unterschiedlicher Verpackungsmaterialien in der vorliegenden Arbeit eine besondere Berücksichtigung. Die vorliegende Arbeit umfasst im Wesentlichen zwei Schwerpunkte: - Die schulexperimentelle Erschließung des Themas Lebensmittelverpackungen für unterschiedliche Klassenstufen, - die exemplarische Ausarbeitung von Unterrichtseinheiten, die die Möglichkeit der Integration der Experimente in die Schulpraxis aufzeigen. Bei der experimentellen Entwicklung stand die Barrierefunktion der Lebensmittelverpackungen und im Hinblick auf die Verträglichkeit mit Lebensmitteln deren chemische Zusammensetzung im Vordergrund. Gesichtspunkte wie die mechanische Belastbarkeit, z. B. die Reißfestigkeit einer Verpackungsfolie, wurden erst in zweiter Linie erarbeitet. Die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen wurden thematisiert. Zunächst wurde eine Versuchsreihe ausgearbeitet, die die Funktion von Aluminiumschichten in Lebensmittelverpackungen in das Zentrum der Betrachtung stellt. Hierbei konnte zur Bestimmung der Dicke einer Aluminiumschicht mit schulischen Mitteln ein Verfahren ausgearbeitet werden, in dem die Aluminiumanteile einer ausgemessenen Fläche einer Verpackung gelöst und anschließend über eine Titration bestimmt werden. Diese Versuchsreihe kann auf viele Beispiele angewandt werden und liefert zuverlässige Ergebnisse. Der Nachweis unterschiedlicher Kunststoffe in Lebensmittelverpackungen stand im Mittelpunkt einer zweiten Versuchsserie. Hierbei wurden Versuche zur Analyse von Verpackungsstoffen (Polyolefine und Polykondensate) entwickelt und zusammengestellt. Einfache Versuche zeigen die Möglichkeit zur Trennung der Schichten von Verbundfolien sowie die chemische Beschaffenheit der verwendeten Polymere. Es wird anhand der gewählten Beispiele auf die unterschiedlichen Eigenschaften von Folien, wie Sauerstoffdurchlässigkeit und Wasserdampflöslichkeit, eingegangen. Dabei wird die gezielte Kombination unterschiedlicher Folien berücksichtigt. Eine wesentliche Fragestellung bei der Auswahl von Lebensmittelverpackungen ist die Frage nach der Barrierewirkung gegenüber unerwünschten Stoffen, z.B. von Sauerstoff. Hierbei gelang es, eine Zink-Luft-Batterie so in eine geeignete Schaltung einzubauen, dass sie zum Nachweis des Sauerstoffdurchtritts durch eine Folie verwendet werden kann. Allerdings ist dieser bei üblicherweise verwendeten Folien so gering, dass im Sinne einer didaktischen Reduktion für einen Modellversuch Backpapier eingesetzt wird, um ein Experiment zu erhalten, das in einer Schulstunde durchgeführt werden kann. Eine weitere umfangreiche Versuchsserie wurde zur Durchlässigkeit von PET-Flaschen gegenüber Kohlenstoffdioxid entwickelt. Besonders interessant für Schülerinnen und Schüler sind dabei Experimente, die zeigen, dass PET Kohlenstoffdioxid in geringen Mengen speichert. Exemplarische Unterrichtsentwürfe zeigen, welche konkreten Möglichkeiten für die Umsetzung des Themas gegeben sind. Hierfür wurden exemplarisch Entwürfe zum Forschend-entwickelnden Unterrichtsverfahren, zum Analytisch-synthetischen Verfahren, zum Expertenunterricht, zur Chemie im Kontext, zum Wahldifferenzierten Chemieunterricht und zum Projektunterricht / projektorientierten Chemieunterricht ausgearbeitet. Insgesamt vermittelt die vorliegende Arbeit einen umfassenden Zugang zum Thema Lebensmittelverpackung im Chemieunterricht, wobei ausgehend von den fachlichen Grundlagen die schulexperimentellen Möglichkeiten und Wege der unterrichtlichen Umsetzung entwickelt wurden.
Der folgende Beitrag präsentiert die Problematik der Eponyme in der Fachsprache und beschäftigt sich mit deren Vorkommen in ausgewählten naturwissenschaftlichen Bereichen. Naturwissenschaften stellen eine reiche Quelle eponymischer Bezeichnungen dar. Für die Analyse wurden drei Disziplinen ausgewählt: Medizin, Chemie und Physik. Alle drei naturwissenschaftlichen Disziplinen wurden in deutscher Sprache analysiert und konfrontiert. Die Analyse konzentriert sich auf die Besonderheiten der Eponyme, d.h. Struktur, Gebrauch, Vorkommen, Kategorisierung und Evaluierung im Rahmen der ausgewählten Disziplinen. Mit der Problematik der Eponyme haben sich mehrere Autoren beschäftigt, z.B. Morton S. Freeman und Dorothy Auchter. In der Slowakei haben sich den Eponymen Mária Bujalková, Božena Džuganová, Gabriela Poláčková und Ivan Masár gewidmet. I. Masár benutzt den Terminus dedikačné termíny (Dedikationstermini, aus dem Griechischen dedicare = widmen). In der deutschen Sprachforschung sind Hans-R. Fluck und Ingrid Wiese zu nennen...
Die vorliegende Arbeit zur Theorie, Praxis und fremdsprachlichen Didaktik der Fachsprache der Chemie geht auf meine unterrichtspraktische Tätigkeit auf dem Gebiet Deutsch als Fremdsprache in fachsprachlich ausgerichteten Kursen der Dublin City University zurück, In der täglichen Praxis des Unterrichtens wurde mir zunehmend deutlich, dass neben den vielen Aspekten, die in der Fachsprachenforschung und in der Erforschung der fremdsprachlichen Fachsprachenvermittlung wohl dokumentiert sind, andere, wie Eva Hund es formuliert, in einen toten Winkel der Fachsprachenbetrachtung geraten sind, Dies betrifft sowohl den philosophischen Hintergrund, als auch semiotische und linguistische Fragen. Der erste, theoretische Teil der Arbeit dient dazu, diese Fragestellungen, soweit dies im Rahmen einer Arbeit wie der vorliegenden möglich und nötig ist, aufzuspannen und auf pragmatische Weise, also wiederum im Rahmen der Möglichkeiten und Notwendigkeiten, zu lösen. Im zweiten Teil der Arbeit werden vier Grundbegriffe der Chemie als Anhaltspunkte verwendet, um anhand von Texten, die im vorgegebenen Rahmen für die fremdsprachliche Ausbildung von Chemikern von größter Relevanz sind, sprachliche, textuelle, diskursive und kulturelle Strukturen in deutschsprachigen Chemietexten offen zu legen, die für Studierende mit der Ausgangssprache Englisch Unerwartetes, Überraschendes, Schwieriges, gerade deshalb aber auch Herausforderndes, Aufregendes, Neues bergen. Dies ist der Ausgangspunkt für den dritten Teil der Arbeit, in dem der Versuch unternommen wird, die Tiefenschichtungen eines an der Entwicklung der Gesamtpersönlichkeit der Studierenden orientierten und interessierten Unterrichtens in der Fremdsprache zu zeigen, wo es nicht nur um den Erwerb eines möglichst funktionalen und utilitären Fachsprachenwissens geht, sondern darum, die durch die Fremdsprachlichkeit eröffneten Möglichkeiten der Distanzierung und Perspektivierung zu nutzen. Im Folgenden werden die Inhalte der drei Teile ein wenig genauer erläutert. Der erste Teil der Arbeit nimmt sich des philosophischen, semiotischen und linguistischen Hintergrunds für die Beschäftigung mit der Chemie in ihrer Erscheinungsform als zu erlernende fremdsprachliche Fachsprache an. Zunächst werden die Positionen des wissenschaftlichen Realismus und Relativismus betrachtet. Dies ist insofern wichtig, als hier der Grund für das Verhältnis von Sprache und Welt oder, anders ausgedrückt, für das Verhältnis von Inhalt und Sprache gelegt wird, oder, in einer weiteren Ausformung, für das Verhältnis zwischen dem Denken und der Wirklichkeit. Die Intensität, mit der etwa in der (muttersprachlichen) Chemiedidaktik die Debatte darum geführt wird, wann, wie und unter welchen Umständen die Modellvorstellung in den Unterricht eingeführt werden soll, vermittelt einen Geschmack von der Bedeutsamkeit diesen Themenfeldes. Für diese Arbeit wird die Spannung zwischen Realismus und Relativismus insofern aufgelöst, als Elemente von beiden verwendet und dem Konzept der Lehrbarkeit untergeordnet werden. In einem zweiten Schritt wird in diesem Teil der Arbeit mit Hilfe des Bühlerschen Zeichenmodells (und einer Erweiterung durch Roman Jakobson) demonstriert, dass, im Gegensatz zu häufig wiederholten Vorstellungen von der Fachsprache als ausschließlich in Sachzusammenhängen verharrender Ausdrucksweise, was der Bühlerschen Referenzfunktion des Zeichens entspräche, auch das Verhältnis zwischen Sender und Zeichen (Ausdrucks- bzw. emotive Funktion) und zwischen Zeichen und Empfänger (appellative Funktion) nicht nur zwangsläufig in der Fachsprache verankert sind, sondern auch eine wichtige Rolle in ihr spielen. Diese Zusammenhänge haben sich u.a. auch deshalb im toten Winkel der Forschung verloren, weil die Forschungstätigkeit sich bisher vor allem auf die sogenannte Theoriesprache der Chemie ausgerichtet hat, während die Textsorten der Wissensvermittlung auf der tertiären Bildungsebene (Lehrbuch, Laborhandbuch, Vorlesungsskripten) weitgehend unerforscht geblieben sind. Dies wird in diesem Teil der Arbeit insbesondere anhand der Unsicherheit der Kategorisierung der Lehrtexte in gängigen fachsprachlichen Textsortenanlysen verdeutlicht. Ein weiteres Ergebnis der Beschäftigung mit Texten der Wissensvermittlung ist die Tatsache, dass die wissenschaftliche Allgemeinsprache (Terminologie in einemweiteren Sinne, im Gegensatz zur chemischen Nomenklatur) ins Zentrum der Aufmerksamkeit rückt. Damit rücken auch in der Fachsprachenforschung, insbesondere auf dem Feld der Naturwissenschaften, ansonsten weniger beachtete Elemente (wie die Verben), Ausdrucks weisen (wie Metaphern), Sichtweisen (Zweisprachigkeit der deutschen Chemieterminologie) und Verhaltensweisen (im kulturellen Zusammenhang) in den Vordergrund. Der erste Teil der Arbeit schließt mit einem Vergleich der englischen und der deutschen Fachsprache der Chemie ab, welcher der Tatsache, dass sich der hier zu Grund gelegte Unterricht der deutschen Fachsprache der Chemie in einer homogen englischsprachigen Umgebung abspielt, Rechnung trägt. Im zweiten Teil der Arbeit wird zunächst der Grundlagentext für die ihn ihm erfolgenden Analysen eingeführt. Es ist das zweibändige Praktikum in Allgemeiner Chemie, herausgegeben von Hanns Fischer, das für die Zwecke dieser Arbeit aus mehreren Gründen besonders gut geeignet scheint. Im weiteren Verlauf des zweiten Kapitels werden vier Grundbegriffe der Chemie besprochen, mit deren Hilfe weite Gebiete der Chemie erfasst werden können, ohne die Übersichtlichkeit zu verlieren. Bei der Besprechung dieser Begriffe werden anhand gelegentlicher Fallstudien aus studentischen Arbeiten die Schwierigkeiten verdeutlicht, mit denen sich nichtmuttersprachliche Leser von wissensvermittelnden Texten konfrontiert sehen. In diesen Fallstudien werden studentischen Annotationen (zu einem Universitätsskript) und studentische Übersetzungen als Fenster zum Fremdsprachenverständnis benutzt.1 Der erste der Begriffe ist Stoff (in Verbindung damit die Aggregatzustände), an dem verdeutlicht wird, wie unterschiedlich auch grundlegendste Begriffe der Chemie definiert werden können. Dies mündet in eine Diskussion des Definitionsbegriffs in der fremdsprachlichen Fachsprachendidaktik ein, und erfasst auch kulturelle Aspekte, insofern hier die Zweisprachigkeit der deutschen Chemiesprache ein Synonymenpaar zur Verfügung stellt, das jedoch bei genauerem Hinsehen Zwischentöne ermöglicht, die im englischen Gegenstück nichtverwirklicht werden können. Der zweite der Begriffe ist Atom (mit den verwandten Begriffen Ion und Molekül). Anhand dieser Begriffe werden die Teilchen vor Stellungen der Chemie aufgerollt und zugleich die mit ihnen assoziierten Modelle. Hier wird an Beispielen aus der Praxis der Chemiesprache deutlich, wie sehr die Sprache, mit welcher der Modellcharakter der Teilchenvorstellungen vermittelt wird, mit metaphemhaften Ausdrucksweisen durchsetzt ist. Der nächste Begriff ist Reaktion, in dem vom objekthaften Stoff und Atom zum Prozesshaften übergeleitet wird. In diesem Abschnitt wird die beim Stoffbegriff schon angesprochene Zweisprachigkeit der deutschen Chemiesprache anhand des Begriffspaars Reaktion - Umsetzung nocheinmal aufgegriffen, diesmal aber mit den damit verbundenen Lemschwierigkeiten für Studierende verbunden, Im Zusammenhang mit dem Grundbegriff Reaktion wird die chemietypische Komplementarität von Formel und Text genauer betrachtet. Der vierte und letzte Grundbegriff im praktischen Teil der Arbeit ist der Begriff Labor, in dem eine deutliche Zweiteilung unterschiedliche Aspekte der Fachsprachenvermittlung unterstreicht. Einerseits wird in einer ausführlichen Fallstudie zu studentischen Annotationen in einem typischen deutschen Universitätsskript gezeigt, auf welche Art eine solcher für das Studium essentieller Text (fremdsprachlich erfasst wird. Hier wird anhand einer einfachen statistischen Übersicht deutlich, welch eine wichtige Rolle im Verständnis dieser Textsorte die Verben spielen. Dieser Punkt erfährt anhand einer Analyse zu den Verben, die im Zusammenhang mit der Manipulation von Flüssigkeiten (offensichtlich eine der häufigsten mit dem Labor assoziierten Tätigkeiten) verwendet werden, aus einer anderen Perspektive Bestärkung. Insgesamt zeigt sich im Verlauf des zweiten Teils der Arbeit ein Fortschreiten von der theoretisch ausgerichteten Chemie (über den allumfassenden Stoffbegriff) hin zum praktischen, handwerklichen Aspekt des Chemie-Treibens (im Labor). Der dritte, didaktische Teil der Arbeit beginnt mit einer ausführlichen Begründung für die Zweckmäßigkeit aber auch bildungsmäßigen Sinnhafltigkeit eines fremdsprachlichen Fachsprachenunterrichts auf der tertiären Bildungsebene gegen eine Ansicht, dass für einen solchen Unterricht weder ein Bedarf noch ein Bedürfnis bestehe. Nach einer kurzen Einführung in die Rahmenbedingungen des fachsprachlichen Unterrichts im hier vorliegenden Zusammenhang wird die Brücke zum ersten Teil der Arbeit geschlagen, und es werden, anhand dreier Kompetenzen, die auf das Bühlersche Zeichenmodell zurückreflektieren, Vorschläge für den fachsprachlichen Fremdsprachenunterricht unterbreitet. Diese drei Kompetenzen sind namentlich die Fachkompetenz, die Sozialkompetenz und die Ich-Kompetenz, Ziel dieses dritten Teils ist es, die an der Dublin City University von Françoise Blin, Christine Appel und mir selbst entwickelten Module unter dem Titel German (French/Spanish) for Science and Technology, die für alle vier Studienjahre vorliegen, inhaltlich und fachlich zu unterfüttem.
The analysis of the global stratospheric meridional circulation, known as the Brewer-Dobson circulation, is an essential part of both experimental and theoretical atmospheric sciences. This large-scale circulation has a crucial influence on the global burden of greenhouse gases and ozone depleting substances throughout the complete atmosphere. This makes it an important factor for the Earth’s radiative budget, which is perceptible at the Earth’s surface despite the remote location of the stratosphere. In the course of climate change it is generally expected that also the Brewer-Dobson circulation undergoes significant changes in structure and strength, although the exact repercussions are still uncertain and thus remain an open scientific question. A general problem for the observational investigation of the dynamical processes in the stratosphere is that residual mean transport cannot be measured directly and hence requires the use of sophisticated proxies. Many studies in the past consider the so-called mean age of air, which is a measure of the average time an air parcel has spent in the stratosphere since passing a certain reference point. While changes in the strength and structure can be detected and visualized using mean age of air, a more thorough distinction between the different involved transport mechanisms of the circulation (residual circulation, mixing) cannot be made. For that, consideration of a full distribution of all relevant transit times through the stratosphere, an age spectrum, is favorable and a powerful tool to analyze the spatial structure as well as possible future changes in detail. Mean age of air and age spectra can be readily derived in atmospheric modeling studies, but an observationally based retrieval is challenging. Mean age of air is usually approximated from measurements of very long-lived trace gas species that act as a dynamical tracer for the stratosphere. The retrieval of age spectra from observations, however, remains an open task for which different methods have been proposed in the past, that often require a combination of strong assumptions and model data explicitly. This is a major issue for a precise and independent investigation of stratospheric dynamics based on measurements. The focus of this cumulative dissertation is on the development process and application of an inversion method to derive stratospheric age spectra from mixing ratios of chemically active substances that combines an applicable and precise ansatz with a minimized amount of necessary model data. Chemically active species have the important benefit that chemistry and transport in the stratosphere are strongly correlated so that the state of depletion of a trace gas can give some information on certain parts of the age spectrum. Considering a sufficient number of distinct trace gases simultaneously, a full approximation of the age spectrum should be possible. The main section of this thesis is split into three parts, which follow the main aspects and key results of the three publications involved (Hauck et al., 2019, 2020; Keber et al., 2020). The newly developed inverse method is based upon the previously established ansatz by Schoeberl et al. (2005), but constrains the shape of the age spectrum by a single parameter inverse Gaussian function. This keeps the balance between applicability and accuracy with a limited amount of measurement data. Additionally, the method introduces a seasonal scaling factor that imposes higher order maxima and minima onto the intrinsically monomodal spectrum based on the seasonal cycle of the tropical upward mass flux to incorporate phases of weaker and stronger transport. A proof of concept of the inverse method is provided using an idealized simulation of the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) model, where the method is applied to a set of artificial radioactive trace gases with known chemical lifetime. The results imply that the method works properly and retrieves age spectra that match the EMAC reference spectra significantly well on the global and seasonal scale. Only in the lower stratosphere, the performance of the inverse method on the seasonal scale decreases as entrainment into the stratosphere is considered only across the tropical tropopause. Transport across the local extratropical tropopause, however, is a key feature for trace gases in the extratropical lowermost stratosphere so that this entrainment must be included explicitly.
In the second part, the discovered problems are approached to make the inverse method applicable to observations. The formulation of the method is extended to incorporate transport explicitly across the tropical (30° S – 30° N), northern extratropical (30° N – 90° N), and southern extratropical tropopause (30° S – 90° S) each with a single age spectrum that can be inverted independently.
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