Theses
Masters Thesis: Modeling phototroph – heterotroph cross feeding
Phytoplankton release dissolved organic matter (DOM), a process traditionally viewed as unintentional and a disadvantage (i.e. loss of biomass). Recent observations suggest that phytoplankton purposefully produce/release DOM to support bacteria growing around them. Further, different phytoplankton species produce different DOM compounds that may attract specific bacteria that can perform a beneficial function (e.g. fix nitrogen). This mechanism is a missing link in our understanding of phytoplankton ecology and models, and limits our ability to manage harmful cyanobacteria blooms.
The purpose of this thesis project is to develop a mathematical model of the cross-feeding process. An existing AQUASIM model of Lake Zürich will be modified/extended to include the production of different DOM species, and a number of heterotrophic bacteria that specialize on these compounds. Model results will be compared to observed time series of phytoplankton species, DOM characteristics and heterotrophic species.
Contact Ferdi Helleger: ferdi.hellweger(at)tu-berlin.de, KF 306
Bachelor-/Masterarbeit: Consequences of taxonomic resolution of bacterial gen-sequences on phytoplankton-bacteria interactions
The English Channel is one of only a few places worldwide where extensive long-term data of different parameters exist (e.g. nutrients, phytoplankton, zooplankton, bacteria). Within a cooperation with the Plymouth Marine Laboratory, the group of Prof. Ferdi Hellweger aims to unravel fundamental questions of phytoplankton/bacteria interactions in the English Channel (which phytoplankton interacts with which bacterium and why?) by application of the mechanistic model FluxNet. The Bachelor student will analyze distributions and abundances of bacterial gen-sequences on an existing data set from the English Channel. The sequence data are given as exact sequence variants (ESVs), which is a taxonomic resolution higher than species. By merging or separation of similar ESVs, the student will target the following questions with FluxNet:
- Do sub-populations of bacterial species exist in the English Channel?
- Can these sub-populations be assigned to eco-types?
- Does the resolution up to ESVs (exact sequence variants) add valuable information to the model output?
The student should be familiar with Excel, other necessary skills will be taught during the project. If you are interested in this topic please contact Falk Eigemann: eigemann(at)tu-berlin.de.
The student is very welcome to add own ideas or suggestions to the project.
Bachelor-/Masterarbeit: Literaturstudie und quantitative Analyse zum Fressverhalten diverser Zooplankton
Zooplankton spielt eine wesentliche Rolle im aquatischen Nahrungsnetz. Sie ernähren sich hauptsächlich von Phytoplankton, aber auch andere Organismen, einschließlich Zooplankton, können Teil ihrer Beute sein. Zahlreiche veröffentlichte Studien geben Einblicke in das Fressverhalten des einzelnen Zooplanktons. Wie und was Zooplankton frisst, hängt von der verfügbaren Nahrungsquelle, dem trophischen Zustand und den physikalischen Gegebenheiten des Gewässers ab. Von besonderem Interesse ist die Zooplankton-Cyanobakterien-Interaktion, da einige Cyanobakterien Toxine freisetzen oder die Nahrungsaufnahme physisch blockieren, was das Fressverhalten von Zooplankton stark beeinträchtigen kann.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, veröffentlichte Ergebnisse zusammenzufassen und ein Referenzhandbuch für laufende und zukünftige Studien zu erstellen. Als Masterarbeit kann diese Arbeit durch eine quantitative Analyse unterstützt werden, um unterschiedliche Muster in der Phytoplankton-Zooplankton- und Zooplankton-Zooplankton-Interaktion zu identifizieren.
Kontakt Marvin Mayerhofer: m.mayerhofer(at)tu-berlin.de
Bachelor-/Masterarbeit: Haben stärker verwandte Mikroorganismen eine ähnlichere Fitness? Wie stark ist der Zusammenhang zwischen phylogenetischer Distanz und ökologischer Fitness in verschiedenen Bakterienfamilien?
Mikroorganismen werden heutzutage typischerweise durch Sequenzierung von Markergenen, wie z.B. der 16S rRNA, identifiziert, die dann mit Datenbanken abgeglichen werden, um die Sequenz einer Spezies zuzuordnen.
Manche Sequenzen, die phylogenetisch stärker verwandter Spezies, sind sich sehr ähnlich und unterscheiden sich nur durch wenige Nucleotide. Vergleicht man hingegen nur schwach Verwandte Spezies, sind die Unterschiede der Sequenzen größer. Maß hierfür ist die sogenannte „Average Nucleotide Distance“, kurz AND.
Lassen sich aus dieser AND, also der phylogenetischen Distanz, Schlussfolgerungen ziehen wie ähnlich sich die Spezies in einem Ökosystem Verhalten? Ob sie gleichzeitig vorkommen?
Aktuelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Zusammenhang besteht, der augenscheinlich in einigen Familien größer ist, als in anderen.
Ob dem tatsächlich so ist soll anhand hochauflösender Zeitreihendaten analysiert werden. Ein solches Datenset steht bereits zur Verfügung, weitere können/sollen im Rahmen der Arbeit (je nach Umfang, Bachelor- oder Masterarbeit) recherchiert werden.
Bei Interesse meldet euch gerne per E-Mail bei Jutta Hoffmann: jutta.hoffmann(at)tu-berlin.de
Bachelorarbeit: 3D-Visualisierung eines mikroskaligen mikrobiellen Ökologiemodells
In Oberflächengewässern interagieren Phytoplankton und Bakterien über gelösten organischen Kohlenstoff (DOC). Genauer gesagt führt das Phytoplankton Photosynthese durch und fixiert C. Ein Teil dieses C wird durch Exsudation und Lyse an die extrazelluläre Umgebung abgegeben. Die resultierende Substratkonzentration weist hohe räumliche und zeitliche Gradienten und Heterogenität auf. Bakterien mit unterschiedlichen Lebensstilen, darunter solche, die Chemotaxis durchführen, und solche, die dies nicht tun, konkurrieren um dieses Substrat. Ein neues agentenbasiertes Modell (ABM), das an der TU Berlin entwickelt wurde, simuliert diese Wechselwirkungen im mikroskopischen Maßstab. Visualisierung, einschließlich 3D-Filme, sind wichtig, um das Modell zu verstehen und über die Ökologie zu lernen. Dieses BS-Thesis-Projekt beinhaltet die Erforschung verschiedener Visualisierungstools, einschließlich VAPOR (https://www.vapor.ucar.edu/), für die Ausgabe dieses Modells.
Kontakt Marvin Mayerhofer: m.mayerhofer(at)tu-berlin.de
Master Thesis: Magnetic iron oxide nanoparticles (MNP) as surrogate for nanoscale contaminants in drinking water treatment systems
Many substances in water are in the nanometer to micrometer range, such as humic substances, viruses
or bacteria. Because of their relatively small size, there are risks of incomplete retention in physical
barriers, such as rapid sand filters and membranes. Analytical methods for nanoscale contaminants vary
from case to case and often require extensive lab work and time. In addition, there is still a lack of a
holistic description between the size of nanoscale contaminants and the effectiveness of physical
removal. Are there fast methods to characterize the fate of nanoscale contaminants? Can we manipulate
test particles to mimic the behavior and retention of complex particles? Magnetic iron oxide magnetic
nanoparticles (MNP) might be a valuable option due to their very fast and pragmatic detection.
Magnetic iron oxide nanoparticles (MNP) typically consist of magnetite (Fe3O4) or maghemite (γ-Fe2O3)
cores with sizes ranging from 1 to 100 nm [1]. They have many important properties, such as modifiable
surfaces, biocompatibility and high magnetic susceptibility [2], which contribute to their wide
applications in biotechnology such as biosensing, diagnostic imaging, gene therapy, cell labeling,
transplant monitoring, etc. [3]. Many researches have proved efficient synthesis routes of sizecontrolled MNP with narrow size distributions [4], and different MNP systems and specific physical
properties are commercially available. MNP can be quickly quantified by deploying photometry and
magnetic techniques such as magnetic particle spectroscopy [5] and magnetorelaxometry [6]. These
characteristics provide a basis for applying MNP in water treatment research.
In this master thesis, potentials of MNP-based test procedures in the water treatment field shall be
explored. Your tasks could include:
Characterizing the physical properties of magnetic iron oxide nanoparticles of different sizes
Analyzing the fate of magnetic iron oxide nanoparticles in column systems for drinking water treatment
Tracing the fate of magnetic iron oxide nanoparticles in membrane filtration
Comparing the fate of MNP with nanoscale contaminants such as bacteria and plasmids in column and membrane filtration systems
The laboratory work will be carried out in different research institutions in Berlin, including
Umweltbundesamt (UBA), TU Berlin and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).
If you are interested, please contact Ms. Lizhi Zhao: lizhi.zhao(at)uba.de
Section of Drinking Water Treatment, Umweltbundesamt (UBA)
Chair of Water Treatment, Technische Universität Berlin (KF 4)
Telephone: 030-8903-3121