Wetenschappen

Doctoraten 2021

Woon een doctoraat bij of raadpleeg de voorbije verdedigingen

Novel Detection Schemes for Transmission Electron Microscopy - Daen Jannis (08/11/2021)

Daen JANNIS

  • 08/11/2021
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Groenenborger, G.T.105
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om deze verdediging te kunnen bijwonen
  • Online doctoraatsverdediging
  • Promotor: Johan Verbeeck
  • Departement Fysica


Abstract

Elektronenmicroscopie is een uitstekende techniek met een resolutie tot op atomaire schaal waarvan de atoom posities bepaald kunnen worden met picometer precisie. Het karakteriseren van materialen op deze lengteschalen is zeer belangrijk in de onderzoeksvelden van biologie, chemie en materiaalkunde. Het succesvol implementeren van de aberratie gecorrigeerde elektronenmicroscopen heeft ervoor gezorgd dat het relatief makkelijk is om atomaire resolutie te bekomen. Men zou dus de impressie kunnen krijgen dat de ontwikkeling van betere elektronenmicroscopie technieken zou stagneren en dat dit alleen nog maar wordt toegepast als een gigantisch vergrootglas. Dit is natuurlijk niet het geval want er bestaan nog een veelheid aan problemen in elektronenmicroscopie waar twee van deze problemen hieronder beschreven worden Een van de grootste problemen in elektronenmicroscopie is de aanwezigheid van stralingsschade omwille van de hoog energetische elektronen die genoeg kinetische energie hebben om de structuur van het materiaal te veranderen. De hoeveelheid geïnduceerde schade hangt af van de totale dosis dus het minimaliseren van deze dosis is voordelig. Deze minimalisatie veroorzaakt meer ruis omwille van het telproces van de elektronen.

Hierdoor is er een nieuwe ruis robuuste techniek ontstaan die vier dimensionale raster transmissie elektronenmicroscopie (4D STEM) noemt. De detectoren die hiervoor worden gebruikt zijn op dit moment twee orders in magnitude trager dan de conventionele STEM methodes. Het verbeteren van deze snelheid zou ervoor zorgen dat 4D STEM meer toegankelijker wordt en dat is zeer belangrijk voor het karakteriseren van stralingsgevoelige materialen op atomaire schaal waarvan de totale dosis geminimaliseerd moet worden.

Naast beeldvorming bestaan er ook spectroscopische technieken in TEM. Twee frequent gebruikte methodes zijn elektronen energie verlies spectroscopie (EELS) en energie dispersieve x-stralen spectroscopie (EDX). EELS meet het energie verlies spectrum van de inkomende elektronen, dit geeft informatie over de beschikbare excitaties in het materiaal wat toegang geeft tot elementaire kennis. In EDX worden karakteristieke x-stralen, gecreëerd door het vervallen van de geëxciteerde atomen die initieel geëxciteerd worden door het inkomend elektron, gemeten waardoor er gelijkaardige elementaire informatie verkregen wordt. Beide methodes zijn in staat om elementaire informatie te verkrijgen waar in sommige omstandigheden het ene meer geschikt is dan het andere. De detectie limiet van beide methodes is 100-1000~ppm wat niet voldoende is om sporenelementen in een matrix te detecteren.

In deze thesis werden twee vernieuwde technieken ontwikkeld die voor significante voortgang zorgden voor de twee problemen die hierboven beschreven zijn.

Bringing the application of Raman optical activity for molecular structure determination in perspective - Jonathan Bogaerts (04/11/2021)

Jonathan Bogaerts

  • 04/11/2021
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om deze verdediging te kunnen bijwonen
  • Online doctoraatsverdediging
  • Promotor: Christian Johannessen
  • Departement Chemie


Abstract

The importance of molecular structure determination is well recognized by scientist within a wide range of disciplines, including organic and physical chemists as well as pharmacists. The reason hereof is that information on the molecular structure can for example provide insight in the mode of action, create a better understanding on reaction mechanisms or can help in the rational design of new drug scaffolds. Fortunately, today many different techniques are available to help scientists in this quest. X-ray crystallography and Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy are probably the most wide-spread techniques for this purpose as they can provide structural information at atomic resolution. However, as one technique seldom permits to obtain all pieces of the structural puzzle, in most cases a combination of techniques are employed. Therefore, it is of utmost importance to understand what information can be extracted using a specific technique and understand its complementarity with regards to other methods.

This thesis focusses on exploring the application of the vibrational spectroscopic technique Raman optical activity (ROA) to determine the molecular structure of a molecule in solution. ROA is a so-called chiroptical method and is measured as the difference in right- and left circular polarized components of the Raman scattered light by a chiral molecule. In other words, ROA spectroscopy combines the wealth of structure sensitive bands present in a Raman vibrational spectrum with the sensitivity towards chirality. In the past, this unique combination has proven to be particularly useful in the study of the conformational behaviour of biomacromolecules such as proteins and carbohydrates. However, the application of ROA for molecular structure determination beyond these is rather limitedly examined and, consequently, not fully understood yet.

To start bridging this gap, in this thesis ROA was applied to a wide variety of chiral molecular to create a better understanding of both opportunities/strengths and weaknesses/limitations of ROA spectroscopy towards its applicability for structure determination.


Investigation for the action of cinnamaldehyde on the treatment of short-term and long-term consequences of gestational diabetes on albino rat and its progeny - Ahmed Hosni Ali Mohamed (03/11/2021)

Ahmed Hosni Ali Mohamed


Abstract

Gestational diabetes mellitus (GDM) is the most frequent health issue facing pregnant women. It is characterized by maternal glucose intolerance that first recognized during pregnancy. GDM results in aberrant placental function, severe consequences for fetal growth, and programming the biological systems of offspring to develop chronic diseases at adulthood. Following the global expansion of the diabetes epidemic, the prevalence of GDM increased to affect almost 16% of pregnancies worldwide.

Current treatment strategies for GDM include lifestyle change (healthy diet and physical activity) and/or insulin injections. If those fail to sustain normoglycemia, the oral antidiabetic drugs (as glyburide, metformin or their combination) are prescribed. The use of these medications during pregnancy is still a matter of great debate due to several adverse effects, and even less is known about their impact on the long-term health of mothers and offspring, proposing further investigations. Therefore, it is desirable to find effective new alternatives. In the context of ongoing investigations for safe and effective medication for GDM, my PhD study addressed the potential therapeutic effects of cinnamaldehyde (Ci; a promising antidiabetic agent) on the short-term impact of GDM, as well as the long-term transgenerational diabetic risk of GDM on the adult offspring, in comparison to the commonly prescribed oral hypoglycemic medication for GDM; glyburide/metformin-HCl (Gly/Met), using the fat-sucrose diet/streptozotocin rat model of GDM that simulates many of the clinical characteristics of the human disease.

First, I obtained a mechanistic understanding of the therapeutic effect of Ci in the management of placental vascular dysfunction caused by GDM through genome wide transcriptional study and targeted biochemical and histopathological analyses. Next, I investigated the efficacy of Ci in protecting the maternal/fetal hepatic and pancreatic tissues from the severe injuries induced by the diabetic stress. Finally, I established the importance of the early maternal treatment with Ci (during times of pregnancy and lactation) for the long-term health of the offspring: Ci increased the insulin sensitivity, improved the pancreatic β-cells functionality, protected from the liver metabolic derangements, and diminished the susceptibility to oxidative stress in the adult progeny. In contrast, Gly/Met intake achieves glycemic control, but does not prevent the impaired placental vascular performance, and does not provide sufficient hepatic redox balance at maternal, fetal and adult offspring levels. Future clinical research would provide further understanding of Ci efficacy as a promising alternative safe medicine for GDM.

Strain measurement for semiconductor applications with Raman spectroscopy and Transmission electron microscopy - Viveksharma Prabhakara (20/10/2021)

Viveksharma Prabhakara


Abstract

Scaling down the size of transistors has been a trend for several decades which has led to improved transistor performance, increased transistor density and hence the overall computation power of IC chips. The trend slowed in recent years due to reliability and power consumption issues at the nanoscale. Hence strain is introduced into transistor channels that has beneficial effects on improving the mobility of charge carriers, providing an alternative pathway for enhancing transistor performance. Therefore, monitoring strain is vital for the semiconductor industry. With the recent trend of decreasing device dimensions (FinFETS ~ 10-20nm) and strain modulation being used throughout, industry needs a reliable and fast method as quality control or defect characterisation. Such a universal strain measurement method does not exist, and one relies on a combination of quantitative in-line methods and complex off-line approaches.

In this thesis, I investigated TEM and Raman spectroscopy-based methodologies for strain measurement. In terms of TEM methodologies, advancements are made for the STEM moiré imaging, targeting strain spatial resolution enhancement. I introduce advanced quadrature demodulation and phase stepping interferometry applied to STEM moiré that greatly enhances the spatial resolution while providing enhanced field of view and sensitivity for strain measurement. I introduce ways to reduce scan distortions in strain maps using an alternative scan strategy called “Block scanning” and the non-linear regression applied for strain extraction. Prospects for 3D strain analysis using high-resolution tomography is also investigated which gives direct access for the full second order strain tensors calculation.

Finally, we compare strain measurements from TEM techniques with inline techniques like Raman spectroscopy. Raman stress measurement involves sensitive identification of the TO and LO phonon peaks. Raman spectrum of strained Ge transistor channel consists of strongly overlapping peaks within the spectral resolution of the spectrometer. Hence, the process of deconvolution of the two peaks is rather challenging. Hence, we explore new polarisation geometries like radially polarised incoming light which was shown to ease the deconvolution problem resulting in improved precision for Raman stress–strain measurements.

Bioreactor strategies for sustainable nitrogen cycling based on mineralization/nitrification, partial nitritation/anammox or sulfur-based denitratation - Yankai Xie (19/10/2021)

Yankai Xie

  • 19/10/2021
  • 15.00 uur
  • Locatie: Stadscampus, Klooster van de Grauwzusters, gebouw S, Lange Sint-Annastraat 7, 2000 Antwerpen
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om deze verdediging te kunnen bijwonen
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotor: Siegfried Vlaeminck
  • Departement Bio-ingenieurswetenschappen


Abstract

The reactive nitrogen (Nr) has surpassed the planetary boundary three times in the past decades. The severe transgression of the safety level is not conducive to planetary sustainable development. As human activities keep generating Nr pollution, it is vital to sustainably manage the Nr on the Earth and restore humanity to the Nr boundary. In this thesis, both "Nr recovery (conversion)" and "Nr removal" were investigated to manage the point-source Nr in the nitrogen cycle.

In Chapter 2, a concept of a novel controlled mineralization and nitrification system was proposed, which can be integrated into hydroponics systems. This system is suitable for the NO₃⁻-N recovery from solid organic fertilizers. The economic assessment of nutrient production from the bioreactor systems was compared to commercially available inorganic fertilizers. Chapter 3 investigated Nr recovery from diluted urine (around 670 mg N L⁻¹) by controlled nitrification in a packed-bed trickling filter. In this concept, the TF, as a passively aerated configuration for nitrification, was proposed to produce nutrient solutions on-site for hydroponic or fertigation systems. Calcium hydroxide was used as a urine alkalization, nitrification pH control, and nutrient supplementation chemical.

In Chapter 4, packed-bed trickling filters were employed to explore the feasibility of Nr removal via the PN/A process. Synthetic wastewater containing 100-250 mg NH₄⁺-N L⁻¹ was tested to simulate household waste streams after carbon removal Interestingly, the cheap carrier based on expanded clay achieved similar rates as commercially used plastic carrier materials. The top passive ventilation combined with an optimum hydraulic loading rate of 1.8 m³ m⁻² h⁻¹ could reach approximately 60% total nitrogen (TN) removal at a rate of 300 mg N L⁻¹ d⁻¹. A relatively low NO₃⁻-N production (13%) via PN/A was achieved in TFs.

In Chapter 5, a secondary effluent polishing concept via sulfur-driven denitratation/anammox was proposed. The goal of this research was to investigate the feasibility and stability of sulfur-driven denitratation in long-term operation. Alternating the pH setpoints between 7.0 and 8.5 could temporarily stimulate the NO₂⁻-N accumulation. Both the residual NO₃⁻-N and BSNLR showed highly positive correlations with the NO₂⁻-N accumulation efficiency. Thiobacillus members may play a crucial role in managing the NO₂⁻-N accumulation, but the reduction of abundance and possible adaptation significantly impaired the efficacy of control strategies in the long run.

Improved estimates of forest aboveground biomass with terrestrial laser scanning - Miro Demol (07/10/2021)

Miro Demol

  • ​07/10/2021
  • 16.00 uur
  • Locatie: Filmzaal Paddenhoek, Paddenhoek 1-3, Gent
  • Het dragen van een mondmasker is aangewezen tijdens de verdediging
  • Promotoren: Bert Gielen, Ivan Janssens, Kim Calders en Hans Verbeeck
  • Departement Biologie (UAntwerpen) & Bio-science engineering (UGent)


Abstract

Het accuraat kwantificeren van de bovengrondse biomassa (AGB) van bossen is onontbeerlijk in klimaatbestendig bosbeheer, maar ook voor het beter begrijpen van de koolstofcyclus van de planeet. Terrestrische laserscanning (TLS) is een actieve teledetectietechniek die gebruikt wordt om extreem gedetailleerde 3D puntenwolken van de omgeving te maken. In de laatste jaren zijn een aantal modelleerprocedures ontwikkeld die boompuntenwolken omzetten in erg realistische reconstructies van de boomstructuur waaruit AGB kan worden afgeleid. In deze thesis evalueerde ik hoe we TLS kunnen aanwenden om verbeterde schattingen van AGB te bekomen. Daarvoor werden een groot aantal referentiemetingen gedaan van boommassa, -volume en -densiteit en verschillende puntenwolkmodelleerprocedures uitgetest.

Een combinatie van 3D-uitlijning- en verstrooiingsfouten in de puntenwolk zorgden voor een overschatting van de takdiameters van kleine taken (<7 cm diameter) in Quantitative Structure Models (QSM). Een verbeterde coregistratie en spectrale filtering verminderden deze overschatting. Stamvolumes van loof- en naaldbomen werden accuraat gemodelleerd met QSM, maar kroonvolumes werden overschat. Enkele verbeteringen werden ontwikkeld. Interne trends in houtdensiteit (ρ) zorgden voor een consistente afwijking in AGB wanneer ρ via een enkele meting of met databases werd bepaald. QSM reconstructies waren een goede tool om de volumegewogen gemiddele ρ te bepalen. Houtboorstalen en verbeterde kennis van verticale ρ-trends zijn cruciaal voor het accuraat schatten van AGB met TLS. Een globale synthese van TLS-AGB validatie-experimenten (~400 bomen van 13 tot 43.000 kg) wees uit dat TLS in staat was om AGB beter te schatten dan conventionele allometrische modellen. De AGB van kleinere bomen (< 1000 kg) werd doorgaans overschat. Grote bomen (> 1000 kg) daarentegen waren accuraat gemodelleerd.

De huidige tekortkomingen van TLS voor het schatten van AGB zijn technisch en computationeel. Meer referentiedata is nodig voor het verbeteren van algoritmes. Het aanpakken van bovenstaande tekortkomingen is belangrijk omdat TLS essentieel is/zal zijn voor het valideren en kalibreren van satellieten die op globale schaal biomassa monitoren.

Charge Transport in Magnetic Topological Insulators - Amir Sabzalipour (05/10/2021)

Amir Sabzalipour

  • ​05/10/2021
  • 16.00 uur
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.01
  • We vragen om de social distancing te respecteren tijdens deze verdediging
  • Promotor: Bart Partoens
  • Departement Fysica


Abstract

De zoektocht naar nieuwe kwantumfasen en het realiseren van praktische controle over hun karakteristieken vormt momenteel een van de belangrijkste doelstellingen in de vaste-stoffysica. Het biedt het potentieel voor een nieuwe generatie technologie\"en. Topologische isolatoren vormen zo'n nieuwe kwantumfase met een fascinerende bulk band topologie en oppervlakte-toestanden beschermd door bepaalde symmetrie\"en. Zo vormen zich bijvoorbeeld op het grensvlak van een sterke topologische isolator en een triviale isolator metal\-lische oppervlakte-toestanden die beschermd zijn door tijdsomkeersymmetrie. De bulk blijft isolerend, terwijl het oppervlak exotische spin-gepolariseerde elektronische toestanden met een grote mobiliteit ondersteunt.

Een materiaal bevat altijd onzuiverheden en andere vormen van wanorde. Ook al lijkt de aanwezigheid van onzuiverheden op het eerste zicht steeds ongunstig te zijn, laat het doteren van een materiaal met onzuiverheden toe om de elektronische eigenschappen ervan te tunen, zoals het Fermi-niveau of de elektronendichtheid. Omwille van de door symmetrie be\-scherm\-de oppervlakte-toestanden zal de aanwezigheid van magnetische en niet-magnetische onzuiverheden het ladingstransport in topologische isolatoren verschillend be\"{\i}nvloeden.

In deze thesis wordt bestudeerd hoe het longitudinale ladingstransport in dunne magnetische topologische filmen en het `anomalous' Hall effect be\"{\i}nvloed worden door puntachtige en random gedistribueerde magnetische onzuiverheden. We zijn ge\"{\i}nteresseerd in hoe het ladingstransport in deze systemen be\"{\i}nvloed wordt door de orientatie van de magnetisatie en hoe deze respons afhankelijk is van belangrijke karakteristieken van het systeem, zoals het Fermi-niveau of een aangelegde gate spanning.

Omdat topologische isolatoren een sterke spin-baan koppeling hebben, is de interactie tussen de geleidende elektronen en de lokale magnetische onzuiverheden sterk anisotropisch. We zullen tonen dat deze anisotropie zelfs kan versterkt worden in dunne magnetische topologische filmen die interageren met een substraat of onderhevig zijn aan een gate spanning. Om dit anisotroop ladingstransport volledig te kunnen vatten werd gebruik gemaakt van een veralgemeend Boltzmann formalisme samen met een aangepast relaxatie-tijd schema.


Search for sterile neutrinos in the eV and MeV mass range with the SoLid detector - Maja Verstraeten (04/10/2021)

Maja Verstraeten

  • ​04/10/2021
  • 16.30 uur
  • Locatie: Stadscampus - gebouw R aula R.014
  • We vragen om de social distancing te respecteren tijdens deze verdediging
  • Promotor: Nick Van Remortel
  • Departement Fysica


Abstract

De ontdekking van neutrino-oscillaties leidde tot de behoefte aan nieuwe fysica die voorbij gaat aan het standaardmodel. Het gedrag van de neutrino's zou verklaard kunnen worden met extra neutrino-toestanden. Verschillende anomalieën in een reeks neutrino-experimenten gaven aanleiding tot de hypothese van een nieuwe steriele neutrinomassatoestand met Δm² ~ 1 eV². Het SoLid-experiment zal flavor oscillaties naar de nieuwe toestand onderzoeken door bij de 60 MW BR2 reactor van het Studiecentrum voor Kernenergie SCK-CEN de afhankelijkheid van de νe flux te meten over een afstand -en energiebereik, met een gesegmenteerde detector van 1.6 ton op zeer korte afstand (6-9 m) van de compacte reactorkern. Daarnaast zal onderzocht worden of de SoLid-detector gevoelig is voor zwaardere steriele neutrino's (HNL) in het massabereik van 1-10 MeV, door hun vervalproducten te detecteren.

Om de uitdagende metingen in een omgeving met veel straling uit te voeren - dicht bij de kern van de kernreactor en aan het aardoppervlak - is een innovatieve, hybride scintillator-technologie ontwikkeld, waarbij polyvinyltolueen en 6LiF:ZnS(Ag)-scintillatoren worden gecombineerd tot een eenheidscel van 5 × 5 × 5 cm³ om de noodzakelijke deeltjesidentificatie en energiereconstructie te bereiken. Meer dan tienduizend van deze eenheidscellen vormen de detector, die wordt uitgelezen door een netwerk van vezels en MPPC's. Om de werking van de detector te valideren en om het signaal van de reactorneutrino's en de verschillende achtergronden te begrijpen en te voorspellen, werd een simulatie opgesteld. Dit proefschrift beschrijft hoe de simulatie van het uitlezen van het detectorsignaal werd ontwikkeld en verfijnd. De simulatie modelleert de energierespons van de detector, waarbij de energieafzettingen van passerende deeltjes worden omgezet in data-achtige signalen. Dit omvat het genereren en transporteren van scintillatiefotonen, de sensorrespons, de constructie van digitale signalen, de triggerwerking en de signaaluitlezing De geïmplementeerde modellen zijn gebaseerd op kalibratiemetingen, detectorgegevens genomen wanneer de reactor aan en uitgeschakeld was, speciale testbanken en specificaties van fabrikanten. De gesimuleerde events worden door de samenwerking gebruikt om selectievereisten voor de neutrinosignalen op te stellen en om Machine Learning-modellen te trainen. Voor de oscillatieanalyse kan momenteel een signaaloverschot van 90 ± 22.8 IBD-gebeurtenissen per dag worden bereikt, met een vrij lage signaal-tot-achtergrondverhouding van 1:5. De volledige oscillatieanalyse wordt dit jaar verwacht. Voor de HNL-analyse geeft de gevoeligheidsstudie aan dat we het potentieel hebben om strengere uitsluitingslimieten te stellen aan de HNL-parameterruimte in het lage massabereik dan de vorige laboratoriumexperimenten, namelijk Bugey en Triumf.


Elucidating the role of nutrient availability in terrestrial carbon cycling - Kevin Van Sundert (01/10/2021)

Kevin Van Sundert

  • ​01/10/2021
  • 14.00 uur
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Q002
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om deze verdediging te kunnen bijwonen
  • Promotoren: Sara Vicca & Ivan Nijs
  • Departement Biologie


Abstract

Nutriënten en water zijn vitale hulpbronnen voor het leven op aarde. Het hoeft dan ook niet te verwonderen dat de huidige globale atmosferische en klimatologische veranderingen die ingrijpen op nutriënten- en watercycli, ook verdere effecten hebben op het functioneren van terrestrische ecosystemen en diensten die ze leveren aan de maatschappij, zoals biomassaproductie en koolstofopslag. Ondanks dit belang van globale veranderingen, bestaan er significante onzekerheden inzake hun impacts op terrestrische koolstofcyclering. Droogtes, bijvoorbeeld, kunnen biomassaproductie substantieel reduceren, maar impacts variëren. Deze variatie wordt deels veroorzaakt door karakteristieken van de droogte, maar karakteristieken van het ecosysteem spelen ook een belangrijke rol. Een zo’n karakteristiek zou nutriëntenbeschikbaarheid kunnen zijn.

Ecosystemen op nutriëntenrijke bodems zijn mogelijks gevoeliger aan droogte dan die op nutriëntenarme bodems o.w.v. verminderde ondergrondse investering door planten. Zulke mogelijke nutriënteneffecten worden vaak genegeerd, o.w.v. moeilijkheden in het vergelijken van nutriëntenbeschikbaarheid in ruimte en tijd. Nutriënten beïnvloeden mogelijks dus droogte-effecten, maar ook interacties in de andere richting bestaan: wijzigende neerslagpatronen die nutriëntencyclering beïnvloeden. Met name voor stikstof (N) werd reeds aangetoond dat droogte en herbewateren van de bodem achteraf de cyclering beïnvloedt, maar wijzigingen in de cycli van andere nutriënten zijn nauwelijks onderzocht.

In dit eindwerk combineerden we database en veldwerk om de rol van nutriëntenbeschikbaarheid in het beïnvloeden van droogte-effecten op Europese graslanden te bestuderen, en nutriëntenbeschikbaarheid vergelijkbaarder te maken tussen ecosystemen. We creëerden een database van ‘global change’ experimenten die toelaat de rol van nutriëntenbeschikbaarheid in droogte-, opwarmings-, CO2- en bemestingsresponsen te ontrafelen in graslanden, bossen en andere ecosystemen. Ten slotte onderzochten we de invloed van droogte en herbewatering op dynamieken van verschillende nutriënten in subalpiene berggraslanden.

Gegevens van het Nutrient Network leerden ons dat toevoeging van limiterende nutriënten de droogtegevoeligheid van graminoïden in Europese graslanden verhoogt. Verder ontrafelen van de rol van gradiënten in nutriëntenbeschikbaarheid in het bepalen van koolstofcyclus responsen op globale veranderingen is moeilijk omdat er geen gestandaardiseerde manier bestaat om de nutriëntenstatus te vergelijken. Daarom namen we belangrijke stappen voorwaarts in de ontwikkeling van een kwantitatieve metric die vergelijking tussen ecosystemen mogelijk maakt. We toonden ook aan dat herberegening na droogte niet enkel de gekende vrijstelling van N in de bodem teweegbrengt, maar ook die van andere nutriënten waaronder in het bijzonder K. Databases van ‘global change’ experimenten laten toe de rol van nutriënten in koolstofresponsen op droogte en globale veranderingen verder te onderzoeken, en moeten leiden tot betere projecties van koolstofopname door de biosfeer.

Contributions to Some Validated Exponential Analysis Applications - Yuan Hou (27/09/2021)

Yuan Hou

  • ​27/09/2021
  • 14.00 uur
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om deze verdediging te kunnen bijwonen
  • Promotoren: Annie Cuyt & Wen-shin Lee
  • Departement Informatica


Abstract

Latest advances in exponential analysis include a multivariate method and a Validated EXPonential Analysis (VEXPA) add on. The multivariate method can recover an n-term, d-dimensional exponential model from merely O((d+1)n) regularly collected samples, which is substantially fewer than other Prony-based multivariate methods would require. This method breaks the curse of dimensionality hence decreases the computation cost dramatically. The VEXPA method is built on a sub-Nyquist version of Prony's method. The validation technique can automatically deduce the sparsity n in the model and validate the estimated results, which is very useful under low signal-to-noise ratio conditions.

We expect that these developments can be used to overcome some of the current computational obstacles in classical exponential analysis. These computational problems are behind some of today's industrial challenges, especially when the data is sparse in one or other sense. The goal of this thesis is to investigate the new possibilities in certain signal and image processing applications.

We explore real world applications, from one-dimensional (1-D) to three-dimensional (3-D) space. In 1-D space, we deal with non-stationary signals, which are encountered widely in many engineering applications. We present a validated exponential analysis add-on for a variety of modulated signals. Our experiment results demonstrate the advantages in a number of practical applications. As for the problem of two-dimensional image analysis, we introduce an exponential analysis based decomposition method for texture decomposition. The usefulness of the method is investigated in two vision applications, namely texture classification and defect detection. In the 3-D space, exponential analysis plays a fundamental role in inverse synthetic aperture radar (ISAR) imaging. Our method can efficiently recover a large set of scattering centers from a set of noisy data. 

Development of mass spectrometry approaches to characterize intrinsically disordered proteins - α-synuclein: a key protein in Parkinson’s disease - Rani Moons (23/09/2021)

Rani Moons

  • 23/09/2021
  • 16.00 uur
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Locatie: CGB, U0.24
  • ​U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om deze verdediging te kunnen bijwonen
  • Promotoren: Frank Sobott & Stuart Maudsley
  • Departement Chemie


Abstract

Over the last years the use of mass spectrometry (MS) in the structural biology field has significantly increased. Native MS approaches, structure-sensitive digestion and fragmentation, crosslinking and labeling techniques coupled to MS gained their position in the structural MS field. The information obtained includes the protein mass, subunit stoichiometry of protein complexes, which protein regions are solvent exposed or buried inside the structure, ligands interacting with the protein, ligand stoichiometry, ligand binding sites, general shape and conformational changes of the protein, protein-protein interaction sites and the protein sequence with eventual mutations or post translational modifications (PTMs). An important class of proteins are intrinsically disordered proteins (IDPs), that account for over 30% of all eukaryotic proteins. With a (partial) natively disordered structure these proteins are very challenging to characterize, due to their dynamic and heterogeneous conformational ensemble. Development and use of structural MS is important to further elucidate IDP structure since MS methods can cope with their flexible and dynamic nature.

In this thesis the IDP alpha synuclein (α-syn) is investigated using various MS approaches, to further characterize this protein and show the possibilities of MS as a structural technique in the challenging field of IDP characterisation. α-syn consists of 140 amino acids, is mainly expressed in presynaptic nerve terminals and plays a major role in the development of Parkinson’s disease (PD). α-syn monomers can aggregate and form intermediate structures such as oligomers, which then further aggregate and form mature α-syn fibrils. Various factors, e.g. mutations, PTMs, ligands, pH, presence of biological membranes, can affect this aggregation pathway. It is important to know how these changes occur at the molecular level to gain more understanding about aggregate formation and how this might be tackled.

Using native and ion mobility (IM) MS it was investigated if we can characterize interactions and conformational changes of α-syn monomers, and we show how instrumental advances in MS contribute to the structural IDP field. Native IM-MS was also used to determine possible structural effects of disease related mutations and relevant PTMs of α-syn. Finally we show that MS-based techniques can bridge the gap between molecular events that determine monomer conformations and the resulting aggregate structures. In general the value, relevance and importance of using MS-based techniques in the structural biology field to study challenging systems such as IDPs to characterize their full conformational ensemble and aggregation pathway is highlighted.

Offline Approaches to Recommendation with Online Success - Olivier Jeunen (22/09/2021)

Olivier Jeunen

  • ​22/09/2021
  • 16.00 uur
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Locatie: Campus Groenenborger, G.T.129
  • Verplichte registratie
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om deze verdediging te kunnen bijwonen
  • Promotor: Bart Goethals
  • Departement Informatica


Abstract

ecommender systems are information retrieval applications that provide users with algorithmic recommendations, in order to assist decision-making when sufficient knowledge about the various options is lacking.

These systems have known widespread adoption in recent years and are extensively used by digital platforms to suggest restaurants, books, musical artists, retail products and even romantic partners — much like the recommendations you could provide for a friend.

Modern approaches to recommendation typically follow the "collaborative filtering" paradigm, making use of a large dataset of user behaviour to infer preferences, and to subsequently predict your preferences based on your historical behaviour.

Impressive advances in machine learning in recent years have found their way to the recommendation field, and these systems are becoming ever more accurate when it comes to learning and predicting user preferences.

There is, however, a gap between the recommendation use-case that is often posed in academic research and the use-case that practitioners typically face in industry. The work in this dissertation focuses on fundamental advances in three areas.

First, the research literature typically deals with a single model trained on a static dataset. In contrast, recommendation models in the real world are often part of a dynamic ecosystem where new data is constantly coming in and models need to be kept up-to-date to remain competitive. In such settings, a clear need arises for models that can be computed efficiently and incrementally.

Second, newly proposed methods in the research literature are often evaluated using offline procedures on datasets containing user-item interactions.

While this is common practice in the broader machine learning field, recommendation datasets often lack true “labels”.

As a result, currently existing evaluation procedures are notoriously uncorrelated with those obtained via the golden standard in industry of using online experiments such as randomised control trials — also known as A/B-tests.

Third, most approaches to recommendation learn from observational datasets consisting of user-item interactions.

As they do not take any information regarding previously shown recommendations and their outcomes into account — they take a purely passive stance that focuses on prediction, which contrasts with the interventionist nature of the problem in practice. Indeed, we wish to show recommendations to users in hopes of encouraging engagement and satisfaction. As such data is being generated by every online platform with a recommendation component — it comes naturally that the value of such datasets needs to be explored.

Development of combined photocatalytic and active carbon fiber technology for indoor air purification based on Multiphysics models - Jelle Roegiers (22/09/2021)

Jelle Roegiers

  • ​22/09/2021
  • 15.00 uur
  • Stadscampus, Klooster van de Grauwzusters, gebouw S, Lange Sint-Annastraat 7, 2000 Antwerpen
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om deze verdediging te kunnen bijwonen
  • Promotor: Siegfried Denys
  • Departement Bio-ingenieurswetenschappen


Abstract

Blootstelling aan vluchtige organische componenten (VOC’s) blijft een groot probleem voor de volksgezondheid, vanwege de vele acute en chronische gezonheidseffecten. VOC concentraties binnenshuis zijn overigens veel hoger dan in de buitenlucht vanwege de vele emissiebronnen die in huis aanwezig zijn en de strenge isolatienormen die hedendaags worden opgelegd. Er zijn reeds vele pogingen ondernomen om fotokatalyse te gebruiken voor de zuivering van VOCs in de binnenlucht. In een ideale situatie is fotokatalyse in staat tot volledige mineralisatie van VOCs tot CO2 en H2O, zonder de vorming van bijproducten. Een succesvolle toepassing van fotokatalyse is tot op de dag van vandaag belemmerd door een laag omzettingspercentage, grote drukverliezen in het systeem en de vorming van schadelijke bijproducten. In het eerste deel van deze thesis werd gepoogd om deze problemen aan te pakken door het ontwikkelen van een nieuw type fotokatalytische (PCO) reactor, die kan ingebouwd worden in bestaande ventilatiesystemen. De reactor werd onderzocht in termen van luchtstroom, coatingeigenschappen, UV-licht verdeling en fotokatalytische activiteit. Experimentele gegevens werden later gebruikt om een Multiphysics model te ontwikkelen en te kalibreren. Vervolgens werd a.d.h.v. het model een geoptimaliseerde reactor gebouwd als prototype. Hoewel het prototype veelbelovende resultaten liet zien op laboschaal, werd generatie van bijproducten vastgesteld tijdens het zuiveren van VOCs. In het tweede deel van deze thesis werd actieve kool adsorptie onderzocht om te combineren met fotokatalyse. Er werd gekozen voor actieve koolstofvezel (ACF) vanwege de snelle adsorptiekinetiek, groot adsorptievermogen en de mogelijkheid van thermo-elektrische regeneratie. De filter werd in detail bestudeerd met betrekking tot adsorptie van polaire en apolaire VOCs en regeneratiemogelijkheden. Opnieuw werd experimentele data gebruikt om een Multiphysics model op te stellen. Met behulp van het model werd een nieuw type ACF-filter ontworpen dat was uitgerust met elektroden in de vouwen van de filter voor betere thermische regeneratie. In het laatste deel van de thesis werd de combinatie van ACF en PCO verder onderzocht aan de hand van een realistische case studie. Door gebruik te maken van de ontwikkelde Multiphysics modellen kon de haalbaarheid van een dergerlijk hybride systeem onderzocht worden. De Multiphysics modellen lieten veelbelovende resultaten zien voor dit PCO-ACF hybride syteem. Vandaar werd een demo-opstelling geconstrueerd voor toekomstig onderzoek.

Spectroscopic and hyperspectral analysis of single- and double-wall carbon nanotubes - Maksiem Erkens (20/09/2021)

Maksiem Erkens


Abstract

Koolstofnanobuisjes zijn holle cilinders met een diameter van ongeveer één nanometer terwijl hun lengte gemakkelijk macroscopische afmetingen kan aannemen zonder enige structurele defecten. Deze unieke structuur zorgt ervoor dat koolstofnanobuisjes praktisch eendimensionaal zijn, waardoor ze uitzonderlijke elektronische, vibrationele en optische eigenschappen hebben die sterk afhangen van de exacte atomische structuur van het nanobuisje, ook wel chiraliteit genoemd. Als gevolg hiervan zijn koolstofnanobuisjes veelbelovende kandidaten voor diverse optische en elektronische toepassingen. Omdat elk koolstofatoom aan het oppervlak zit worden de chiraliteitsafhankelijke eigenschappen ook beïnvloed door zowel de buitenste als de binnenste omgeving van de koolstofnanobuisjes. Daarom moeten deze eigenschappen eerst volledig in kaart gebracht worden, vooraleer de mogelijke toepassingen gerealiseerd kunnen worden.

Vaak worden spectroscopische technieken gebruikt om dit te doen. Die technieken kunnen echter geen informatie geven over individuele nanobuisjes en zeker niet langsheen hun lengte. Daarom ontwikkel ik in deze thesis een hyperspectrale fluorescentiemicroscopie-opstelling die in staat is om zowel ruimtelijk als spectraal de fluorescentie langsheen de lengte van een enkelwandig koolstofnanobuisje te resolveren. Met deze opstelling bestudeer ik de fluorescentie van individuele enkelwandige koolstofnanobuisjes in een chiraliteitsgesorteerd staal, gebruikmakend van unieke staalpreparatie-, beeldcorrectie- en beeldanalysetechnieken, om zo de oorzaken van inhomogene lijnverbreding op het ensembleniveau te achterhalen. De resulterende statistische data toont vier verschillende emissiepieken aan die eenduidig gerelateerd kunnen worden aan fluorescentie van lege en watergevulde enantiomeren van dezelfde chiraliteit.

In dubbelwandige koolstofnanobuisjes, die een coaxiale samenstelling van twee enkelwandige nanobuisjes zijn, worden de intrinsieke eigenschappen gemoduleerd door de interactie tussen de twee lagen. Samen met de talloze mogelijke combinaties voor de binnenste en de buitenste laag, maakt dit hun macroscopische studie ontzettend moeilijk. Bovendien kunnen zelfs in een ogenschijnlijk zuiver staal andere soorten nanobuisjes onverwachts aanwezig zijn, wat de interpretatie van de eigenschappen van dubbelwandige koolstofnanobuisjes in het verleden sterk bemoeilijkte. Dit toon ik aan met de snelle extractie van enkelwandige koolstofnanobuisjes uit dubbelwandige koolstofnanobuisjes door ultrasonicatie. Vertrekkend van dit effect bestudeer ik vervolgens de radiale trillingsmode en de fluorescentie van dubbelwandige koolstofnanobuisjes in een staal met bewezen zuiverheid. Via een gedetailleerde data-analyse, waarbij ik gebruik maak van tweedimensionale simulatiemodellen, onthul ik een energietransfer van de binnenste naar de buitenste laag die verklaart waarom de fluorescentie van de binnenste lagen in dubbelwandige koolstofnanobuisjes zo sterk verzwakt is. Tot slot ontwikkel ik een methode waarmee de chiraliteiten van verschillende combinaties van binnenste en buitenste lagen in het macroscopische staal geïdentificeerd kunnen worden.

Cephalosporin antibiotics: electrochemical fingerprints and redox pathways investigated by mass spectral analysis - Nick Sleegers (20/09/2021)

Nick Sleegers


Abstract

Unnecessary exposure of bacteria to antibiotics accelerates antimicrobial resistance and thereby comprising the effectiveness of antibiotic treatments. Therefore, there is a need for better surveillance of antibiotics when released in the environment. Monitoring of antibiotic levels discharged in waste waters is one of many necessary measures. The use of electrochemistry is an inviting approach to address this surveillance need and, in general, it allows a fast, on-site and sensitive detection of low concentrations. The aim of this PhD thesis is to gain comprehensive insight in the voltammetric behavior of the cephalosporin antibiotics. Therefore, four cephalosporin antibiotics and the two main intermediates, were subjected to an electrochemical fingerprinting study. Oxidation signals of the core structure and the different side chains were elucidated. Their respective signals were further exploited to allow simultaneous detection of different cephalosporins in a single analysis below one minute. In parallel, investigations into the oxidation products were undertaken for all the redox centers of the cephalosporins. A combination of small scale electrolysis and liquid chromatography coupled to quadrupole-time-of-flight mass spectrometry was used to produce and identify the products formed during oxidation of the redox centers, which were subsequently fitted into the electrochemical frameworks provided by voltammetric analysis. This combined strategy allowed the identification of the mechanisms behind the oxidation of the three redox centers in cephalosporins. In order to develop a monitoring strategy for cephalosporins, the influence of the degradation on the electrochemical fingerprint had to be taken into account as degradation is employed to reduce antibiotic levels in industrial effluents before their release into the environment. Therefore, the changes of the voltammetric fingerprints upon degradation were investigated. It was shown that the characteristic voltammetric signals of the cephalosporin core structure disappeared upon hydrolysis. Additional oxidation signals that appeared after degradation were elucidated and linked to different inactive degradation products. Lastly, the research activity was directed towards the coupling of electrochemistry at screen printed electrodes to HPLC analysis. Essentially, the knowledge gained in the electrochemical fingerprints of cephalosporins was exploited and applied into the field of chromatographic analysis. Hereby, generating an extra dimension of separation to electrochemical analysis which will aid in the analysis of complex mixtures and matrices. The approach gave promising results as 15 antibiotics from four different classes were detected at low ppb-level.

Alternative scan strategies for high resolution STEM imaging - Abner Velazco Torrejón (10/09/2021)

Abner Velazco Torrejón


Abstract

Tegenwoordig worden vele materialen onderzocht met transmissie elektronenmicroscopie (TEM) vanwege het voordeel dat het zowel structurele als chemische analyse toelaat op lokale schaal. Relatief recente ontwikkelingen in aberratie correctoren en elektronenbronnen laten toe om vlot atomaire resolutie te bereiken. Dit maakt TEM tot een speerpunttechnologie in het onderzoek van materialen. Nochtans is dit instrument verre van perfect aangezien zowel interne als externe stoorbronnen de interpretatie van de verkregen informatie sterk kunnen bemoeilijken. Omgevingsfactoren zoals akoestische en mechanische trillingen, temperatuur fluctuaties kunnen drift veroorzaken in de sample positie wat leidt tot distorsies in de beeldvorming.

Deze distorsies zijn meer uitgesproken in gescande opstellingen waar de informatie sequentieel wordt opgenomen in het bijzonder als het gaat om heel hoge vergrotingen waarbij atomaire resolutie wordt beoogd. Bovendien ontstaan er door de eindige tijdsrespons van de scan spoelen nog bijkomende distorsies in het beeld. Deze distorsies beperken de precisie waarmee bijvoorbeeld de rek kan gemeten worden in halfgeleidermaterialen aan de hand van atomaire resolutie beelden. De meeste inspanningen om deze distorsie tegen te gaan richting zich op post-acquisitie data bewerking. Een andere belangrijke beperking in het gebruik van TEM is het optreden van bundelschade.

Bundelschade treedt op wanneer energie uit de elektronenbundel overgedragen wordt naar het preparaat door middel van inelastische interactie. In scanning TEM hebben we typisch te maken met een hoge elektronenflux en dosis die interageert met het preparaat door middel van een bundel met sub-Å afmetingen wat het probleem van lokale bundelschade flink kan verergeren. Zogenaamde ‘zachte materialen’ zoals bv. zeolieten, organische en biologische materialen kunnen beschadigd worden tijdens deze irradiatie wat de hoeveelheid en betrouwbaarheid van de gegevens sterk kan beïnvloeden. Huidige pogingen om dit effect onder controle te houden spitsen zich vooral toe op het verminderen van de benodigde elektronendosis met behoud van een acceptabele signaal ruis verhouding.

In deze thesis zal ik nieuwe methoden aanreiken en evalueren om zowel het effect van scan distorsies als bundelschade in scanning TEM tegen te gaan of te verminderen. Nieuwe scan strategieën worden voorgesteld en er zal worden aangetoond dat deze beide belangrijke obstakels in moderne TEM beeldvorming significant kunnen verminderen.


Photosynthesis and the role of foliar nutrients in the lowland tropical rainforests of French Guiana - Lore Verryckt (07/09/2021)

Lore Verryckt


Abstract

Tropische bossen behoren tot de meest productieve ecosystemen op aarde en ze zijn goed voor meer dan een derde van de wereldwijde primaire productie. Hierdoor ze een belangrijke rol in de globale koolstofcyclus. De primaire productie wordt beperkt door onder andere toegang tot voedingsstoffen. De twee belangrijkste voedingsstoffen die plantengroei beperken zijn stikstof en fosfor en tropische bossen groeien typisch op bodems die zeer arm zijn in fosforbeschikbaarheid. Bovendien gaan toenames in koolstof- en stikstofbeschikbaarheid als gevolg van stijgende atmosferische CO2 niveaus en door de mens geïnduceerde stikstofinput naar ecosystemen niet gepaard met een vergelijkbare toename van fosforinput. Dit leidt tot stoichiometrische onevenwichtigheden met bijzonder lage fosforconcentraties. Het is nog onduidelijk hoe bladvoedingsstoffen, en dan vooral fosfor, de fotosynthese in tropische bossen beïnvloeden. Dit inzicht is echter essentieel voor het begrijpen van de terrestrische koolstofcyclus en om globale modellen te verbeteren die gericht zijn op projecties van toekomstig klimaat.

In dit proefschrift onderzoeken we hoe fotosynthese het beste kan worden gemeten in een tropisch regenwoud. Het meten van fotosynthese is hier een uitdaging, onder andere, omwille van de zeer hoge bomen en sterke lichtgradiënten in het dichte bladerdek. Het knippen van takken voorafgaand aan het meten van fotosynthese is een veelgebruikte methode in tropische bossen en we toonden aan dat deze methode effectief geschikt is, zonder effect op fotosynthesemetingen. Daarnaast hebben we onderzocht op welk lichtniveau fotosynthese lichtverzadigd wordt, wat cruciaal is om over- of onderschatting van fotosynthese te voorkomen.

Stikstof wordt algemeen beschouwd als de belangrijkste motor van de netto fotosynthetische capaciteit en hoewel fosfor als belangrijk wordt beschouwd in tropische bossen, is het nog onduidelijk hoe fosfor de fotosynthetische capaciteit reguleert. We ontdekten dat fosfor van groot belang is voor fotosynthese op bladniveau op ruimtelijke schaal, maar verrassend genoeg niet op verticale schaal. Om te bepalen in hoeverre de beschikbaarheid van voedingsstoffen de tropische regenwouden beïnvloedt, werden reeds verschillende bemestingsexperimenten uitgevoerd. Er is aangetoond dat de concentraties van bladvoedingsstoffen en de fotosynthese op bladniveau toenemen als reactie op bemesting. Drie jaar toevoeging van stikstof en fosfor had echter geen invloed op de concentraties van bladvoedingsstoffen, noch op het fotosynthetisch vermogen in Frans-Guyana.

Tot slot bieden we een goed kader voor toekomstige metingen van fotosynthese op bladniveau in tropische regenwouden, als leidraad voor toekomstig tropisch onderzoek. We verstrekken een uitgebreide dataset van fotosynthese en mogelijke oorzaken van koolstofopname in tropische regenwouden om de modelrepresentaties van fotosynthese verder te verbeteren.

Advanced graphene supports for 3D in situ transmission electron microscopy - Adrián Pedrazo Tardajos (03/09/2021)

Adrián Pedrazo Tardajos


Abstract

Transmission electron microscopy (TEM) is an ideal tool to investigate nanomaterials. The information from TEM experiments allows us to link the structure and composition of nanomaterials to their intrinsic physical properties. However, despite the significant evolution of the TEM field during the last two decades, major progress is still possible through the development of optimal TEM techniques and supports. The results presented in this thesis focus on the optimization of sample supports and their application. Among the different options, graphene has previously been reported as useful sample support for electron microscopy due to its unparalleled properties, for example, it is the thinnest known support and provides a protective effect to the sample under investigation. Unfortunately, commercial graphene grids show poor quality, in terms of intactness and cleanness, inhibiting their wide application within the field.

Therefore, this thesis focuses on the application of optimized graphene TEM grids, obtained by transferring high quality graphene using an advanced procedure. This improvement on the transfer has enabled the visualization of materials with low contrast and high sensitivity towards the electron beam, such as surface ligands capping gold nanoparticles or metal halide perovskites. Furthermore, the implemented protocol is not only of interest for conventional TEM grids but also a major benefit for in situ TEM studies, where the sample is investigated in real time under certain stimuli. Hence, the same graphene transfer technology can be also applied to advanced in situ MEMS holders dedicated for both heating and gas experiments, where the thickness and insulating nature of the silicon nitride (Si3N4) support may hamper some applications. By engineering periodic arrays of holes in their Si3N4 membrane by focused ion beam, onto which the graphene is transferred, it has been possible to get proof-of-concept 3D in situ investigations of heat-induced morphological and compositional transformations of complex nanosystems. As an example, it has enabled the investigation of the possible phase-transition of metal halide perovskites upon heating using 2D and 3D structural characterization. Moreover, it has allowed the study of in situ three-dimensional nanoparticle dynamics during gas phase catalysis as well as the first steps that would lead towards the design and creation of the first Graphene Gas Cell. Consequently, implementation of the advanced graphene transfer technology described in this thesis is envisaged to impact a broad range of future experiments.

Conditional cooperation as potential resolution for sexual conflict between caring blue tit parents - Maaike Griffioen (02/09/2021)

Maaike Griffioen


Abstract

Biparental care requires that two unrelated individuals raise their offspring together, which increases offspring survival and therefore parental fitness. Each parent has to invest in care, which comes with an individual cost and thus both parents benefit by investing less to retain resource for future reproductive events. Thus, parents are in a sexual conflict about investment, and they have to agree upon the level of investment into the current reproductive event. Recently, the suggestion was made that the strategy of conditional cooperation could provide a resolution for this conflict between parents. It implies that parents will follow up on each other’s provisioning visits and that a visit of the partner motivates the other to increase its own provisioning rate. This indicates that parents will have an equal and higher visit rate. However, some important aspects are still unknown, while vital for our understanding of the adaptive significance of this strategy. Therefore, the aim of this thesis is to investigate whether conditional cooperation, via turn taking of provisioning visits, indeed bears the potential for conflict resolution. I studied a wild population of blue tits, a species with biparental care, on which I performed multiple manipulation experiments in the field. Parents had stable alternation levels, which they maintained regardless of any disturbance. Yet, parents were expected to change their alternation level in accordance with the amount of conflict. Furthermore, parents were not responding as predicted by changing their provisioning rate to the rate of their partner.

However, parents were not using prey to exploit their partner, by investing less into bigger profitable prey items. Blue tits, therefore, seem to be honest in their investment in terms of prey sizes. Regardless of the honesty in prey sizes, the offspring did not benefit but also were not limited by the conditional cooperation strategy. From the experiment in which females’ brooding duration was manipulated, females were not restricted by this other care task in their potential to take turns. Taken all together, blue tit parents did not seem to be using turn taking rules as predicted by the initial theoretical concept. Yet, they seem to maintain a fixed level of alternated visits. A specific fraction of monitoring the partner’s feeding behaviour might provide a sufficient estimate of its investment and could serve as a signal to avoid substantial exploitation. Hence, partners may use different information streams to co-adjust their behaviour.


Autumn dynamics of leaf phenology and xylem formation in deciduous forest trees of Europe - Inge Dox (02/09/2021)

Inge Dox


Abstract

Het merendeel van het onderzoek naar fenologie van bladverliezende bosecosystemen bestudeerde de start van het groeiseizoen, vooral door een schetsing van de timing van de ontwikkeling van het bladerdek en de reactivering van cambiale activiteit. Herfstfenologie is echter slechts weinig bestudeerd.

Het einde van cambiale activiteit, einde van xyleemvorming (of houtvorming) en het begin van bladsenescentie zijn echter zeer belangrijke fenologische processen in gematigde loofbomen. Hun timing is van fundamenteel belang voor de ontwikkeling en overleving van bomen, de kringloop van voedingsstoffen in het ecosysteem en de seizoensgebonden uitwisseling van materie en energie tussen de biosfeer en de atmosfeer. Dit alles heeft invloed op de impact en terugkoppeling van bossen op klimaatsveranderingen.

In dit onderzoek verbeterden we de kennis over herfstfenologie van bladeren en houtvorming door middel van een grootschalig experimenteel werk en verbeterde observatiemethoden. We observeerden het einde van cambiale activiteit, het stoppen van houtvorming, het begin van bladsenescentie en het begin van de bladverkleuring in verschillende bladverliezende boomsoorten (zilverberk, Europese beuk, zomereik en ratelpopulier) en dit op verschillende locaties in Europa met een verschillend klimaat (Zuid-Noorwegen, België en Noord-Spanje) en gedurende drie groeiseizoenen met verschillende weersomstandigheden (2017, 2018 en 2019).

De belangrijkste bevindingen omvatten: (i) de beschrijving van de dynamieken van het einde van houtvorming in de herfst, die versnellingen vertoonden in jaren die erg droog waren maar verschilden tussen soorten, (ii) de opstelling van een herfstfenologietijdlijn waarbij het einde van houtvorming plaatsvond tijdens of voor de start van bladsenescentie, behalve in een jaar volgend op een zeer droog jaar en (iii) een overzicht dat de lengte van het houtgroeiseizoen en de timing van cruciale houtfenologische fasen meer varieerden over locaties dan over jaren en gerelateerd zijn aan temperatuur en klimaatzone, maar slechts enkele algemene trends vertoonden over soorten heen.

Om samen te vatten kunnen we stellen dat we belangrijke hiaten in de kennis over herfstfenologie van gematigde bladverliezende bossen hebben ingevuld en dat we een unieke dataset over deze dynamieken hebben kunnen samenstellen. Deze nieuwe inzichten dragen bij aan het beter begrijpen van het functioneren van bladverliezende bomen en hun mogelijke reactie op klimaatsveranderingen.

Model-based quantitative scanning transmission electron microscopy for measuring dynamic structural changes at the atomic scale - Annelies De wael (30/08/2021)

Annelies De wael


Abstract

Nanomaterialen kunnen uiterst interessante eigenschappen vertonen voor een verscheidenheid aan veelbelovende toepassingen, gaande van zonnecrème tot batterijen voor elektrische auto’s. Een nanometer is een miljard keer kleiner dan een meter. Op deze schaal kunnen de materiaaleigenschappen volledig verschillen van bulkmaterialen op grotere schaal. Bovendien hangen de eigenschappen van nanomaterialen sterk af van hun exacte grootte en vorm. Kleine verschillen in de posities van de atomen, in de grootte-orde van een picometer (nog eens duizend maal kleiner dan een nanometer), kunnen de fysische eigenschappen al drastisch beïnvloeden. Daarom is een betrouwbare kwantificering van de atomaire structuur van kritisch belang om de evolutie naar materiaalontwerp mogelijk te maken en inzicht te verwerven in de relatie tussen de fysische eigenschappen en de structuur van nanomaterialen. Daarnaast kan de atomaire structuur van nanomaterialen ook veranderen in de loop van de tijd ten gevolge van verschillende fysische processen.

Het onderzoek dat in deze thesis gepresenteerd wordt, maakt het mogelijk om de dynamische structuurveranderingen van nanomaterialen betrouwbaar te kwantificeren op atomaire schaal door gebruik te maken van raster transmissie elektronenmicroscopie (STEM). Ik heb dit gerealiseerd door methodes te ontwikkelen waarmee ik het aantal atomen “achter elkaar” kan tellen in elke atoomkolom van een nanomateriaal, en dit op basis van beelden opgenomen met een elektronenmicroscoop. Een belangrijk verschil met telmethodes voor de analyse van een enkel beeld is het schatten van de kans dat een atoomkolom atomen zal verliezen of bijkrijgen van het ene naar het andere beeld in de tijdreeks. Deze kwantitatieve methode kan het ontrafelen van de tijdsafhankelijke structuur-eigenschappen relatie van een nanomateriaal mogelijk maken, wat uiteindelijk kan leiden tot efficiënter design en productie van nanomaterialen voor innovatieve toepassingen.

Integrating female competition within a multivariate and life history framework - Bert Thys (30/08/2021)

Bert Thys


Abstract

Within animal populations, competition is often most intense among individuals of the same sex since such individuals require the same limited resources to maximize reproductive success. Although competition between females is widespread – including in species with traditional sex-roles – whether and how selection is acting on individual differences in female competitive trait expression remains poorly understood. Crucially, many traits with a potential role in female competition (e.g. same-sex aggression, plumage traits in birds) are typically repeatedly expressed across an individual’s life and hence (co)vary both among and within individuals. Moreover, behavioural traits involved in female competition should not be studied in isolation since they may covary with other ecologically relevant behavioural traits, forming a behavioural syndrome. In this thesis, using a free-living songbird and repeated measurement designs on the same individuals within and across years, I integrated female competitive trait expression into a multivariate framework with other behaviours (antipredator boldness as manifested by hissing behaviour, exploratory behaviour in a novel environment). Subsequently, revolving around the notion of life history trade-offs, I aimed at identifying the short-term and lifetime fitness consequences associated with individual differences in female behavioural phenotypes.

Females were found to consistently differ in their average level of same-sex aggression, hissing behaviour and exploratory behaviour (i.e. personality). Moreover, female aggression formed a behavioural syndrome with exploratory behaviour, but not with hissing behaviour. At the same time, substantial amounts of the total phenotypic variation in behaviours occurred on the within-individual level (i.e. behavioural plasticity). Using a behavioural reaction norm approach, I demonstrated that a part of the within-year plasticity in hissing behaviour was explained by the reproductive value of the offspring; while individual plasticity in female aggression was instead related to female age, where aggression decreased within females across their lifespan, potentially reflecting senescence. Female aggression also covaried with variation in a melanin-based black plumage trait, although depending on female age. Proximately, individual differences in female aggression and hissing behaviour were not associated with genomic sequence variation in a candidate gene, the serotonin transporter gene. Ultimately, and contrasting predictions, female aggression and hissing behaviour did not mediate the trade-off between current reproduction and future survival. Instead, results point towards heterogeneous forms of selection as a likely mechanism maintaining the observed individual differences in female behavioural (including competitive) phenotypes in the wild.


Frame theoretic methods in topology and analysis - Wouter Van Den Haute (25/08/2021)

Wouter Van Den Haute

  • ​25/08/2021
  • 17.00 uur
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Wendy Lowen (UA) en Mark Sioen (VUB) - Dubbeldoctoraat met VUB
  • Departement Wiskunde


Abstract

Frames, ook bekend als puntvrije topologie, laten toe om ruimten te bestuderen zonder hun punten te beschouwen. Het idee hierachter is dat punten niet intuïtief zijn: als we een punt op een blad zetten, tekenen we eigenlijk een kleine bol. In de topologie worden deze bolletjes voorgesteld door open verzamelingen, en deze zullen de basis vormen voor de overgang naar frames. In veel gevallen kunnen we deze stap omdraaien door punten in een frame te definiëren als frame homomorfismen naar 2={0,1}.

Approach ruimten kunnen dan weer gebruikt worden om de voordelen van topologische en metrische ruimten te combineren. Topologische ruimten gedragen zich beter wat het vormen van (categorische) structuren betreft, maar het onderliggende idee is hier meer alles-of-niets. Twee punten kunnen of gelijk, of verschillend zijn. Een punt kan in een verzameling zitten of niet. Dit terwijl we voor metrische ruimten exact kunnen zeggen hoe ver twee punten van elkaar verwijderd zijn, of hoe ver een punt van een verzameling af ligt. Approach ruimten lossen dit op door te kijken naar de afstand tussen een punt en een verzameling, in plaats van de afstand tussen punten onderling. Eén van de karakterisaties hiervan is de zogenaamde lower regular function frame L bestaande uit contracties naar P=[0,∞]. Dit is wel degelijk een frame zoals de naam doet vermoeden.

In deze thesis merken we eerst op dat de afstand punt-verzameling en de lower regular function frame L reeds grondig bestudeerd werden. Hetzelfde kan niet gezegd worden over hun ‘inwendige’ tegenhangers ι en U. We definiëren en bestuderen ι en beschouwen ook de upper regular function frame U. We gaan dan verder in op een andere eigenschap van approach ruimten die in de literatuur nog niet uitgebreid bestudeerd werd, namelijk normaliteit. Deze eigenschap speelt een belangrijke rol bij de uitbreiding van functies, zoals Urysohn functies, Tietze's extensie en Katetov-Tong's insertie.

We merken ook op dat, zoals voor contracties, ook de verzameling van semicontinue functies naar P een frame vormt. Verder kan de frame van open verzamelingen van een topologische ruimte equivalent beschreven kan worden als continue functies naar 2. Gegeven dat de punten van een frame worden beschreven door frame homomorfismen naar 2, vervangen we nu beide instanties van 2 door een andere ruimte/frame F. We onderzoeken hoe we op deze manier van topologische ruimten naar F-frames kunnen gaan en terug en leggen de link met vrije distributieve tralies.

Phase transitions in driven-dissipative many-body quantum systems: Gutzwiller quantum trajectories and a study of mean-field validity - Dolf Huybrechts (08/07/2021)

Dolf Huybrechts


Abstract

Open quantum systems have become subject of intense research in the latest years due to technological and experimental advances and their potential for quantum information applications. An open quantum system is subject to an interaction with its environment with which it can exchange e.g. particles or energy. Usually this type of interaction results in a dissipation of the system’s energy into the environment and a drive is needed to compensate for this loss. The competition of these driving and dissipation processes can result in very interesting physical phenomena, such as phase transitions, that are markedly distinct from their equilibrium counterparts. Subsequently, the theoretical interest in these systems has burgeoned and a plethora of theoretical techniques have been developed. Due to the scarcity of analytical solutions, these are mainly based on numerical simulations. A crucial obstacle to be overcome is the exponential growth in computational resources that is required in a numerically exact approach. As a result, there is a clear need for the development of approximative methods and methods that exploit the symmetries that are present in these systems to allow for a more efficient numerical study.

In this thesis the properties of driven-dissipative quantum systems are studied by resorting to approximative methods based on a factorisation of the system’s state as well as exact simulation methods based on the exploitation of permutational symmetries. Additionally, an efficient method to extract the properties of these systems in the long time limit has been introduced. Our techniques have been applied to the study of the properties of the dissipative XYZ Heisenberg model as well as those of the driven-dissipative Bose Hubbard model, shedding light on the importance of quantum and classical correlations in these systems.

 

Unravelling the determinants of molecular host-pathogen interactions with machine learning - Pieter Moris (05/07/2021)

Pieter Moris


Abstract

In deze thesis bestuderen we het gebruik van data mining en machine learning in de context van biomoleculaire netwerken. We behandelen drie hoofdonderwerpen, elk gerelateerd aan een ander type netwerkdata, analysemethode en onderliggende onderzoeksvraag.

In het eerste deel onderzoeken we een nieuwe methodologie, gebaseerd op frequent itemset mining en association rule mining, met als doel om biologisch relevante informatie uit gastheer-pathogeen eiwit-eiwitinteractienetwerken en hun bijbehorende annotatiedata te extraheren en deze in een beter interpreteerbare vorm weer te geven. De techniek laat toe om expertkennis te vertalen in een samenvatting van associatieregels die zich leent tot visualisaties, hoewel het een uitdaging blijft om een geschikte level van granulariteit te vinden voor de specifieke taxonomische groep die onderzocht wordt.

De tweede module richt zich op het vinden van subnetwerken in een groter netwerk; een goed bestudeerd onderwerp. We bouwen verder op eerder werk dat poogt om die subnetwerken te ontdekken in het netwerk die geassocieerd zijn met een specifieke set van knopen waarin men geïnteresseerd is. Het biedt een unieke uitbreiding op de veelgebruikte aanrijkingsanalyses door het integreren van netwerkstructuur en functionele annotaties om nieuwe biologische subnetwerken te onderscheiden die aangerijkt zijn in bepaalde onderzoeksonderwerpen. We presenteren een softwarepakket genaamd MILES dat bijkomende functionaliteit en visualisatiemogelijkheden toevoegt aan het oorspronkelijke werk.

Het laatste deel van dit werk situeert zich in het onderzoeksdomein van de immunoinformatica. De moleculaire interacties tussen epitopes en T-cell receptoren (TCR) spelen een belangrijke rol in het adaptief immuunsysteem. Deze interacties kunnen worden voorgesteld als een netwerk en we tonen een nieuwe techniek voor het voorspellen van nieuwe lijnen in dit netwerk. Meer bepaald maken we gebruik van convolutionele neurale netwerken en een feature representatiemethode die geïnspireerd is door beeldherkenning en rechtstreeks werkt op de aminozuursequentie van de twee moleculaire interactiepartners. Daarnaast vergelijken we validatiestrategieën om de generalisatiemogelijkheden voor zowel gekende als ongeziene epitopen te beoordelen en bespreken we ook verschillende uitdagingen die eigen zijn aan TCR-epitoop data. Hoewel onze methode beloftevol lijkt, is het duidelijk dat het openstaande probleem van het voorspellen van TCR-epitoop interacties voor ongeziene epitopen nog verdere verbeteringen nodig heeft, vooral op het vlak van de diversiteit van de beschikbare data.


Analysis of Large Scale Randomized Load Balancing Policies - Tim Hellemans (30/06/2021)

Tim Hellemans


Abstract

Het doel van deze thesis is het bestuderen van methodes om jobs, die aankomen in grote computersystemen, zo goed mogelijk te verdelen. Er is recent veel interesse in methodes die voor elke aankomende job een vast aantal (wat we noteren met d) servers aanspreken. De analyse van deze methodes is meestal niet mogelijk voor systemen met een eindig aantal servers, daarom kijken mensen meestal naar mean field modellen om deze modellen te analyseren. Het komt erop neer dat je veronderstelt dat de wachtrijen van alle servers onafhankelijk en gelijk verdeeld zijn, dit zorgt er dan voor dat je het volledige systeem kan beschrijven door het gedrag van 1 wachtrij te beschrijven.

Het grootste deel van het voorgaande werk bekijkt methodes die gebruik maken van de lengte van de wachtrijen (uitgedrukt in aantal wachtende jobs). Dit verlaagt inderdaad wel de tijd dat je moet wachten tot een job afgehandeld is, maar kleine jobs kunnen nog altijd vast komen te zitten achter grote jobs. Daarentegen ligt onze focus op methodes die gebruik maken van de echte hoeveelheid werk die aanwezig is op de servers. Dit zorgt dan wel voor wat extra werk bij het verdelen van de jobs, maar op die manier kunnen we wel alle grote jobs detecteren en komen kleine jobs niet meer vast te zitten achter grotere. Dit omvat methodes die jobs simpelweg sturen naar de servers die het minste werk hebben, maar ook methodes die gebruik maken van overtollig werk (de job laten uitvoeren op meerdere servers), methodes die onthouden welke servers geen werk hebben, methodes die jobs in groepjes toekennen aan servers, ...

We bestuderen ook methodes die gebruik maken van het aantal wachtende jobs gecombineerd met de looptijd van de job die momenteel uitgevoerd wordt. Dit zorgt ervoor dat we grote jobs detecteren als ze reeds een lange looptijd hebben.

Voor alle methodes die we bekijken, presenteren we numerieke schema's die gebruikt kunnen worden om de performantie te bestuderen. We maken verder ook nog gebruik van simulaties om de accuraatheid van onze modellen te illustreren. Als we veronderstellen dat de grootte van de jobs exponentieel verdeeld is, kunnen we regelmatig een expliciete uitdrukking bekomen voor de performantie metrieken zoals de gemiddelde wachttijd. In het bijzonder hebben we gemerkt dat we met de juiste schaling eenvoudige, gesloten formules bekomen voor de gemiddelde wachttijd wanneer het systeem zeer zwaar of zeer licht beladen is.

Fast approaches for investigating 3D elemental distribution in nanomaterials - Alexander Skorikov (25/06/2021)

Alexander Skorikov


Abstract

Precise determination of 3D distribution of chemical elements is a problem of key importance for a range of advanced nanomaterials. Examples of such materials are catalysts, semiconductor electronics and nanoparticles with advanced optical properties, where even minute changes in the elemental distribution drastically alter the relevant properties of the material.

Currently, among the best-suited methods to analyze the elemental distribution in materials at the nanoscale are techniques based on a combination of transmission electron microscopy, spectroscopy and tomography, which offer excellent spatial resolution, high elemental sensitivity and the ability to retrieve the full 3D structure of the studied object. Unfortunately, these methods require very long acquisition times, which does not allow to apply them for high-throughput studies, such as statistical analysis of nanomaterials, in industrial settings or for investigating dynamic processes in materials. Moreover, the long exposure to the electron beam damages the materials under investigation, further limiting the applicability of such techniques.

In this thesis, the problem of high acquisition time and electron irradiation dose requirements for 3D analysis of elemental distribution in nanomaterials is approached by developing new improved methods for this task and optimizing the existing methodology for data acquisition and analysis. The utility of the proposed approaches for answering relevant materials science questions is demonstrated and the outlook on the future developments in this field is outlined.


Optical spectroscopy of 1D nanostructures encapsulated inside carbon nanotubes - Miles Martinati (22/06/2021)

Miles Martinati


Abstract

Carbon nanotubes (CNTs) represent the most ideal system to confine molecules in a 1D nanospace, due to their hollow structure, their smooth and impermeable sidewalls and the precise tunability of their diameter. These unique characteristics can be exploited to study the behavior of atoms and molecules confined in 1D, or to synthesize and stabilize new 1D nanostructures, overcoming the problem of chemical instability in free space. In this thesis, three 1D structures encapsulated inside CNTs are studied, i.e. graphene nanoribbons (GNR@SWCNTs), linear carbon chains (LCC@DWCNTs) and chains of water molecules (water@CNTs), by means of photoluminescence excitation (PLE) spectroscopy and/or wavelength-dependent resonant Raman spectroscopy. In particular, by analyzing the typical Raman modes of the GNRs together with their corresponding resonant Raman profiles (RRP), both the vibrational and the electronic properties of the encapsulated GNRs can be revealed. This enables us to assign the observed Raman modes to two specific structures of GNRs, namely the 6-armchair GNR and the 7-armchair GNR with widths of 0.61 and 0.74 nm and electronic band gaps of 1.83 and 2.18 eV, respectively. A similar wavelength-dependent analysis is used to study the excited vibronic states of two samples of LCC encapsulated inside DWCNTs. In this case, the analysis of the RRP enables to observe multiple Raman resonances and consequently to estimate the energies of the excited vibronic states. Lastly, the properties of 1D chains of water molecules are studied by probing the variation of the optical properties of the surrounding CNTs as a function of temperature with respect to a reference empty CNT sample. The phase transitions of water encapsulated inside four different CNT chiralities, i.e. (6,5), (7,5), (9,4) and (8,6), with diameters smaller than 1 nm, are observed at temperatures between 110 and 150 K, in agreement with the only observation reported so far in this diameter range.


Mixed metal and temperature stress in aquatic environments: establishing functional links across different levels of organisation - Giovanni Castaldo (18/06/2021)

Giovanni Castaldo


Abstract

Worldwide, aquatic ecosystems are under threat from metal pollution. Natural environments receive a wide variety of compounds and the prediction of mixture toxicity based on the toxicity of single compounds is difficult and shows a certain degree of uncertainty. Moreover, the effects of metal mixtures together with the effect of the temperature on toxicological processes remain very poorly documented. Considering that the temperature is one of the most important driving factors in organismal physiology and a crucial ecological factor, this is surprising.

In this work, common carp (Cyprinus carpio) were exposed via water to copper (Cu (II), zinc (Zn (II)) and cadmium (Cd (II)) in single or mixture exposure scenarios. Differences in the accumulation of these metals were observed, with Cu and Cd accumulating to a greater extent compared to Zn in the analysed tissues. When present together, different metals can interact with each other influencing the uptake, bioaccumulation and toxicity. For instance in our experiments, we observed reduced Cd levels in the gills of common carp simultaneously exposed to Cu and Cd.

Copper was the only metal found to cause an impairment in ion-homeostasis in the single exposure scenarios. In addition, when it is present in mixture scenarios (e.g Cu plus Cd) more marked effects on electrolyte levels (e.g. sodium) can be observed. In the final part of this work we focused on understanding to which extent different temperatures can affect metal mixture toxicity in common carp. In fish exposed to either a low (10 ºC) or high (20 ºC) temperature, both Cu and Cd accumulated in the gills, whereas Zn levels remained stable. However in fish kept at 10 ºC, Cu metal levels in the gills were higher compared to fish exposed at 20 ºC, in contrast to what was observed for Cd. Moreover at 20 ºC, after one week of exposure fish started to eliminate excess Cu. The obtained results suggest that at 20 ºC, fish had more efficient depuration processes for the essential elements Cu and Zn.

Overall, the present thesis provides new insights into the effects of metal ion toxicity when present in mixture scenarios. Moreover, these findings highlight the importance of considering the effect of environmental parameters in designing standard toxicology tests to derive water quality guidelines that are protective for environmentally realistic conditions.


Ecological risk assessment of amphibians in the Phongolo River floodplain - Nicolaas Wolmarans (15/06/2021)

Nicolaas Wolmarans


Abstract

De uiterwaarden van de Phongolo-rivier in Zuid-Afrika herbergen de hoogste biodiversiteit in de uiterwaarden van het land, ten worden gebruikt voor commerciële en zelfvoorzienende landbouw. De uiterwaarden liggen in het malariarisicogebied waar vectoren nog steeds worden bestreden door binnenshuis residueel te sproeien met dichloordifenyltrichloorethaan (DDT). Deze regio heeft te kampen met een kwetsbaar sociaal-ecologisch evenwicht. Eerdere studies toonden een leemte in de beschikbare kennis over bestrijdingsmiddelen tegen malariavectoren en de daarmee samenhangende toxiciteit voor amfibieën. In deze studie is gebruik gemaakt van een gefaseerde aanpak om het risico voor amfibieën in de uiterwaarden van de Phongolo rivier in kaart te brengen. Ecosysteemdiensten werden meegenomen in de beoordeling naast het risico voor het welzijn van amfibieën om de relatie tussen deze aspecten te beoordelen. In een eerste fase werden de vereiste gegevens verzameld, waaronder gegevens over subletale effecten op amfibieën van bestrijdingsmiddelen tegen malariavectoren. Het tweede niveau betrof het genereren van veldmonitoringgegevens. Deze studie toonde aan dat amfibieën uit het Ndumo Game Reserve in de uiterwaarden actief DDT accumuleren. De volgende fase van de beoordeling bestond uit het genereren van gegevens over subletale toxiciteit. Dit werd gedaan door Xenopus laevis in het laboratorium en in een gesimuleerd veldsituatie bloot te stellen aan malariabestrijdingsmiddelen. Gedrag, metabolomica en accumulatie van pesticiden werden gemeten als effectresultaten. Gedragsveranderingen werden waargenomen bij kikkers die blootgesteld werden aan een mengsel van DDT en deltamethrine. Metabolomische veranderingen werden meestal toegeschreven aan een algemene stressrespons die bij alle blootstellingen werd aangetroffen in vergelijking met de controle. De metabolomische reacties bij de gesimuleerde blootstelling in het veld vertoonden weinig overlap met die welke bij de blootstelling in het laboratorium werden gevonden, hetgeen werd toegeschreven aan de toevoeging van voedsel in de gesimuleerde veldomgeving. De gemengde blootstelling aan DDT en deltamethrine resulteerde in een aanzienlijk verlies van de diversiteit van ongewervelde dieren. In de uiteindelijke risicobeoordeling zijn de gegevens uit deze studie verwerkt om met behulp van een risicomodel de risiconiveaus voor amfibieën te bepalen. Het algehele amfibieënwelzijn liep een matig risico, vanwege de waarschijnlijkheid van chronische of subletale effecten van bestrijdingsmiddelen en de grote amfibieënbiodiversiteit in de regio. De aquatische habitats in de uiterwaarden (rivier, tijdelijke pannen en permanente pannen) werden aangeduid als prioritaire habitats voor instandhouding om het sociaal-ecologisch functioneren te bevorderen en het amfibieënwelzijn te maximaliseren. De resultaten van deze studie ondersteunen het gebruik van amfibieënwelzijn als een monitoringinstrument voor de uiterwaarden als gevoelige indicatoren van ecologische verandering.

Shaping up oligonucleotides: aptamer-target recognition investigated by native mass spectrometry - Elise Daems (03/06/2021)

Elise Daems


Abstract

Aptamers are short, synthetic DNA or RNA molecules that are characterized by a specific 3D conformation which enables specific target recognition. Aptamers are promising tools in many application fields from sensing to therapeutics. One of the major challenges in the aptamer field is understanding the relationship between the sequence and what determines the higher-order structure and specific interactions with targets. Therefore, this PhD thesis focuses on the use of different mass spectrometry (MS) based approaches to characterize aptamers and their interactions. Several of these approaches are already widely applied to study other biomolecules, such as proteins, but are still largely unexplored for aptamers and oligonucleotides in general.

A first focus was put on obtaining information on the higher-order structure and conformational stability of aptamers using a combination of MS and with ion mobility (IM) spectrometry by performing collision-induced unfolding (CIU) experiments. CIU was shown to hold great promise to analyze the conformational dynamics and gas-phase stabilities of aptamers.

Next, the capabilities and limitations of native IM-MS for the analysis of noncovalent interactions of aptamers were demonstrated. The conformational behavior and interactions of cocaine-binding aptamers were studied and it was found that relative binding affinities of aptamers that only differ slightly in sequence and structure can be determined using native MS. Moreover, native IM-MS allowed the detection of small conformational changes upon binding of a target, which were found to be dependent on the binding mode of the aptamer. An adaptive binding mechanism was suggested for flexible aptamers that require more reorganization upon binding.

In the final part of this thesis, the importance of thoroughly characterizing and validating aptamer-target interactions before using them in an application was emphasized. Moreover, the gathered insights were applied in our own development of a proof-of-concept aptamer-based sensor. This was shown by investigating the interactions of ampicillin aptamers which were found to not bind the target they were selected for in the first place. A multi-analytical approach combining complementary techniques was used for this purpose since no single technique is generally applicable to characterize all aptamers and their interactions and to obtain a comprehensive picture of the aptamer-target interactions. Furthermore, such multi-analytical approach was used to characterize a testosterone-binding aptamer while developing an aptamer-based electrochemiluminescent sensing strategy for this target. This shows the importance of native MS, in combination with other techniques, to thoroughly understand the aptamer-target interactions in the development of a designed application.

Analysis of the food safety and microbial ecology of fermented carrot juice - Wannes Van Beeck (12/05/2021)

Wannes Van Beeck


Abstract

Artisanale voedselfermentaties worden vaak bestempeld als één van de oudste biotechnologieprocessen ter wereld, omdat ze al gebruikt werden door de Egyptenaren om verse voeding langer te bewaren. Daarnaast stijgt hun populariteit ook bij haute cuisine chefs door hun toegevoegde aroma’s en texturen. Gefermenteerd wortelsap is een voorbeeld van zo’n artisanale groentefermentatie. In dit doctoraatsonderzoek werd er onderzoek gedaan naar de voedselveiligheid en microbiële ecologie van gefermenteerd wortelsap. Fermentaties worden algemeen als veilig bestempeld, maar er was nog niet geweten of voedselpathogenen kunnen overleven indien de verse groenten gecontamineerd zijn met deze pathogenen. Daarom werd een challenge test opgezet met drie goed bestudeerde voedselpathogenen: Listeria monocytogenes, Salmonella Typhimurium en Escherichia coli O157:H7. Wanneer toegevoegd aan de start van de fermentatie, konden deze pathogenen tot 8 dagen overleven in de fermentatie waarna ze verdwenen onder de detectielimiet.

Het gebruik van specifieke starterculturen kan de fermentatie versnellen en zo de pathogenen nog sneller afdoden. Deze starterculturen worden traditioneel geïsoleerd uit de voedselfermentatie, maar isolaten uit andere bronnen, zoals van de mens zelf, zouden eigenschappen kunnen hebben die voordelig zijn voor de consument. Om te onderzoeken of dergelijke allochtone stammen de wortelsapfermentatie kunnen sturen, werden zowel allochtone als autochtone isolaten van drie verschillende belangrijke geslachten onderzocht: Leuconostoc, Lactiplantibacillus, en Lacticaseibacillus. Leuconostoc starterculturen hadden de grootste impact op de initiële verzuring van de fermentatie, waarbij enkele stammen al snel de pH onder 4.6 konden sturen na 1 dag fermenteren. Deze pH 4.6 is een belangrijke limiet voor voedselveiligheid. Bij Lacticaseibacillus en Lactiplantibacillus konden de autochtone stammen in het algemeen de fermentatie beter sturen naar een meer uniforme bacteriële gemeenschap na 30 dagen dan hun allochtone verwante stammen. Er waren echter enkele uitzonderingen zoals de probiotische Lacticaseibacillus rhamnosus GR-1, die in de fermentatie kan overleven tot 30 dagen. Daarom werd ook onderzocht welke eigenschappen belangrijk zijn om de fermentatie te ‘koloniseren’ aan de hand van een ecologisch model. Verschillende fenotypische tests toonden aan dat de biotische factors , zoals competitie, in dit gesloten ecosysteem belangrijk zijn voor een succesvolle persistentie van de starter culturen. Abiotische factoren zoals zoutstress bleken een relatief kleine invloed op de starterculturen te hebben.

De resultaten uit dit doctoraat tonen dus aan dat wortelfermentatie veilig is indien lang genoeg gefermenteerd, maar ook dat deze groentefermentaties nog veiliger en verbeterd kunnen worden door middel van functionele starter culturen.

Novel insights and approaches for the analytical characterization of tangible cultural heritage objects - Andrea Marchetti (29/04/2021)

Andrea Marchetti


Abstract

Cultural heritage represents the vehicle of our cultural identity, handed over from past to future generations throughout human history. As a repository of fundamental cultural and social values, the preservation of all forms of cultural heritage is a responsibility of every society and of humankind as a whole. When it comes to tangible cultural heritage, preservation of heritage translates into preservation of objects and, therefore, of the materials they are constituted of. This crucial task relies heavily on the application of scientific analytical methods to answer material and conservation-related questions.

The fundamental contribution of this analytical approach led, in the past decades, to an ever-deepening understanding of the factors governing the degradation of cultural heritage. However, the extreme complexity of the heritage object-environment system results in a massive research field, which inevitably presents relevant open questions. This is where the present PhD work comes into play, attempting to fill knowledge gaps in literature by starting from specific case studies and un-answered research questions.

The multianalytical research conducted during this PhD unraveled fundamental information on the properties governing the reactivity and long-term behavior of different classes of materials, from α-brass in an indoor environment to artists’ pigments in the presence of light, moisture and soluble particulate matter (PM). The paramount importance of the synthesis conditions on the composition, physical properties and reactivity of heritage materials was also demonstrated, in particular for stable lead pyroantimonate and unstable Geranium lake artists’ pigments. Moreover, the study and characterization of specific heritage objects, namely a series of 16th century reliquary altarpieces and the painting L’Arlesienne, by Vincent Van Gogh, allowed to obtain relevant insights into their composition and on potential risks for their conservation. The challenging nature of the samples considered, created the perfect opportunity to test an innovative spectroscopic technique, optical photo-thermal IR (O-PTIR), for the characterization of heritage materials. Striking results were obtained, highlighting a great potential for the application of this non-destructive sub-micron molecular spectroscopy to the analysis of cultural heritage. Finally, in the last section of this work, strategies to implement the continuous monitoring of PM levels in indoor environmental quality studies were also considered, with a particular focus on the identification of environmental hazards for the collections housed in specific conservation environments (War Heritage Institute in Brussels and St. Martin’s church in Aalst, BE).


Adaptive management of Wi-Fi networks in dynamic and heterogeneous environments - Patrick Bosch (29/04/2021)

Patrick Bosch


Abstract

The last two decades brought a phenomenal increase in communication devices, mobile and stationary. The overall number of connected devices went past 18 billion with many available technologies. Two wireless technologies dominate the market space: LTE/5G and Wi-Fi. Other new wireless technologies also rose in popularity. This situation gave rise to new applications that require high bandwidth and low latency.

However, technologies share use cases, devices can not fully use their technologies, and technologies can interfere with each other. Avoiding interference and enabling technology cooperation are major cornerstones of improving user experience. Nevertheless, cooperation can not overcome all obstacles. Estimation and modeling of performance within certain environments are necessary.

Current solutions for integrated technology management are limited. They focus on specific technologies, specific use cases, or have limited management capability. Performance modeling is more common but focuses on interference from other communication technologies, not interference from generic electronic devices. The increasing use of electrical devices multiplies the problem and affects many devices and technologies. This dissertation provides three significant contributions to address these challenges.

The first contribution explores and models IEEE 802.11 systems' performance when an interfering source is present that is not a communication technology. We first explore the performance of IEEE 802.11 in a challenging environment via a wireless mesh network and further in a controlled setup and simulation. We provide two models. The first is based on base performance when no interference is present and is computationally fast. The second is an analytical model that models the entire system's behavior but is computationally expensive.

The second contribution consists of the ORCHESTRA framework, enabling inter-technology management seamlessly to the user and operator. This framework offers interference mitigation by using multiple technologies. It uses technology abstraction through a virtual layer and advanced packet-level functionalities, such as handovers, load balancing, and duplication. A central controller maintains a global view of the network and makes intelligent decisions to improve performance.

As a third contribution, we present a load balancing solution that normalizes latency for links with different latency properties. Different technologies exhibit different latency properties that cause problems when using packet-level load balancing. We provide a machine learning based normalization method that smooths and reduces latency on a flow. Instead of sending out bursts of packets after reordering, packets are sent with a short time in between to avoid burst behavior.

Towards an Energy-efficient, Responsive and Reliable Industrial Internet of Things - Glenn Daneels (26/04/2021)

Glenn Daneels


Abstract

Het internet der dingen (IoT) paradigma is een verschuiving naar een wereld waarin alle dingen geconnecteerd zijn met het Internet. Terwijl het IoT een impact heeft op elk aspect van onze samenleving, wordt het specifiek heel efficiënt toegepast bij de verdere revolutie van de automatisatie en controle van traditionele fabricage en industriële processen. Dit leidt dikwijls tot de term het “industriële internet der dingen” (IIoT). Om te voldoen aan de hoge eisen van IIoT applicaties, werden industriële sensoren en actuatoren initieel allemaal bedraad verbonden met elkaar. Terwijl bedrade communicatie heel betrouwbaar is, is het ook duur en onpraktisch voor moeilijk te bereiken plaatsen en mobiele machines. Daardoor werd de transitie naar draadloze communicatie onvermijdbaar. Opdat deze transitie echter succesvol zou zijn, moest draadloze communicatie quasi dezelfde betrouwbaarheid als bedrade communicatie kunnen aantonen in uitdagende omgevingen waar het draadloos signaal ernstig kan verstoord worden door externe storingen en vernietigende multipad effecten. Daarbovenop is het belangrijk dat zo een draadloos toestel lange tijd operatief kan blijven zonder dat de batterij telkens vervangen moet worden. Dat betekent dat tegelijkertijd de communicatie heel betrouwbaar moet zijn en er heel weinig energie mag verbruikt worden. Een recente technologie, genaamd IEEE 802.15.4e Time-Slotted Channel Hopping (TSCH), heeft bewezen aan deze eisen te kunnen voldoen.

In dit doctoraatsboek bestudeer ik deze TSCH technologie en hoe deze verder kan verbeterd worden zodat deze nog meer succesvol kan gebruikt worden in industriële netwerken. Meer specifiek focus ik op 3 onderzoeksvragen met betrekking tot het energieverbruik, de wachttijd en de betrouwbaardheid van TSCH netwerken. Eerst onderzoek ik hoe het energieverbruik van TSCH kan gekarakteriseerd worden. Hierna wordt de focus verlegd naar het minimaliseren van de wachttijd voor het afleveren van periodieke observatiedata, typisch voor IIoT netwerken. Ten slotte mik ik op het nog verder verbeteren van de betrouwbaarheid van de draadloze communicatie in een industrieel TSCH netwerk, door een techniek voor te stellen die simultaan verschillende fysieke lagen in éénzelfde netwerk toelaat. Door meerdere fysieke lagen in hetzelfde netwerk te combineren, kan een toestel de fysieke laag aanpassen aan de propagatiekarakteristieken van zijn draadloze link. Daarbij wordt er ook een heuristiek voorgesteld die toestellen toelaat om een goede datalink te selecteren in zo een TSCH netwerk dat meerdere fysieke lagen tegelijkertijd ondersteunt.

Samengevat is het doel van deze doctoraatsthesis het opzetten van een energie-efficiënt, responsief en betrouwbaar TSCH netwerk dat geschikt is voor het gebruik in een IIoT omgeving.

Advanced chemical imaging of artworks - Stijn Legrand (19/03/2021)

Stijn Legrand


Abstract

Het onderzoeksveld van de erfgoedwetenschappen is de afgelopen eeuw met onvoorstelbare sprongen gegroeid. Dankzij de uitvindingen van de X-straal radiografie en de infrarood reflectografie werd het mogelijk voor experts om onder het verfoppervlak te kijken. Nog recentere ontwikkelingen hebben geleid tot het ontstaan van hyperspectrale beeldvormingsmethoden, waartoe de in dit werk gebruikte geavanceerde chemische beeldvormingstechnieken, ook toe behoren. Hiermee worden niet enkel de verschillende in kunstwerken aanwezige componenten geïdentificeerd, maar wordt het ook mogelijk om hun verdeling over deze voorwerpen in beeld te brengen. De resulterende distributiebeelden laten het aan een veel breder publiek toe om de wetenschappelijke informatie te interpreteren en om deze resultaten te koppelen aan het kunstwerk zelf.

Voor dit onderzoek werd een reeks aan vlakke kunstvoorwerpen op niet-destructieve wijze onderzocht met behulp van twee macroscopische beeldvormingsmethoden: macroscopische X-straal fluorescentie scanning en macroscopische Fourier getransformeerde midden-infrarood scanning in reflectie mode. In bepaalde gevallen werden de resulterende beelden aangevuld met microscopische technieken op monsters om zo de laagopbouw, samenstelling en de verdeling van deze materialen over de lagen heen te begrijpen. Aangezien het niet mogelijk was om aanvullende stalen te nemen van verluchte manuscripten, moesten alle vragen op niet-destructieve wijze beantwoord worden. Hiervoor werd de interpretatie van de macroscopische beeldvormingstechnieken tot het uiterste gedreven. Het met chemische beeldvormingstechnieken documenteren van topstukken zoals het Lam Gods, hielp het restauratieteam, bijgestaan door de internationale commissie, om de zware beslissing te nemen om alle niet-originele verflagen manueel te verwijderen. Het scannen van glas-in-lood ramen liet experts toe om op basis van deze beelden situatierapporten op te stellen, later ingelegde stukken te identificeren en het gehele restauratieproject veel efficiënter uit te voeren.

Vele bestaande onderzoeks- en restauratievragen konden beantwoord worden door eerst niet-destructieve beeldvormingsmethoden toe te passen. Op basis van de bekomen verdelingskaarten kon met behulp van een beperkt aantal monsters een representatieve verzameling bekomen worden, waarmee de overgebleven vragen beantwoord konden worden. Bij de meeste onderzoeken was het combineren van technieken dus noodzakelijk om de toestand volledig te omvatten. Een gelijkaardige trend kan gezien worden in het onderzoeksveld: een samenwerking tussen uiteenlopende disciplines was vaak noodzakelijk om alle waarnemingen te kunnen verklaren.

Om deze geavanceerde chemische beeldvormingstechnieken volledig te laten doorbreken, is het aangewezen om de meetsnelheid nog te verhogen zodat een aanvaardbare oppervlakte gedurende één werkdag kan worden behandeld. Tegelijkertijd hiermee, moet ook de (basis) dataverwerking nog meer gestroomlijnd worden opdat een grotere groep gebruikers de bekomen resultaten kan gebruiken. Met deze verbeteringen kunnen deze technieken ook door een ruimer publiek gebruikt worden.

Evolutionary Genomics of Lactic Acid Bacteria - Stijn Wittouck (15/03/2021)

Stijn Wittouck


Abstract

Lactic Acid Bacteria (LAB) are responsible for many types of fermented foods and are part of our natural microbiota. The goal of this PhD was to leverage publicly available genomes of LAB to gain new insights into the evolutionary history and habitat-adaptation of these bacteria. To make this possible, important taxonomic and computational challenges were solved.

Three groups of LAB were studied in the thesis. The first was the Lacticaseibacillus casei group: a cluster of closely related species with many applications as oral probiotics and in dairy fermentations, but with much confusion surrounding the classification of strains of the species L. casei, L. paracasei and L. zeae. Based on a comparison of all publicly available genomes from this group, the taxonomic confusion was cleared up, and a number of potentially habitat-relevant properties were identified that could discriminate between the species. For example, genes encoding catalases and putative epithelial adhesins were detected in L. casei genomes, and superoxide dismutase genes were found in L. paracasei genomes. The former were particularly relevant, because an L. casei strain with probiotic potential had previously been isolated from the upper respiratory tract of a healthy individual. Next, the family Lactobacillaceae was studied. For this purpose, a novel computational tool was developed to identify the core genes of a set of genomes in linear time. This tool was used to correct many species-level misclassifications of strains belonging to the family and to suggest mergers and splits of published species. For instance, a merger of the species Weissella thailandensis and Weissella jogaejeotgali was proposed, as well as a split of Ligilactobacillus aviarius. In addition, the genus Lactobacillus was split into 25 smaller genera and the families Leuconostocaceae and Lactobacillaceae were merged based on an analysis that included the use of signature genes to find biologically relevant clades. Finally, a novel tool was developed that could infer a pangenome (the collection of all gene families in a set of genomes) in near-linear time. This tool was then applied to create a pangenome database for the order Lactobacillales, which was subsequently explored to identify some trends in the evolution of these bacteria. For example, it was found that the number of core genes of species changes relatively slowly, and that genes encoding amino acid transporters experienced many duplications in the evolutionary history of the order.

Physiological stress as a mechanism underlying the effects of forest logging on tropical birds - Simone Messina (15/03/2021)

Simone Messina


Abstract

Land-use changes are one main cause of biodiversity loss. Selective logging is the most common technique of timber extraction applied to tropical forests, driving species loss and population abundance changes. One main question to understand species’ responses to selective logging is which proximate mechanisms underlie species abundance changes. In this Ph.D. project I have used a cross-sectional approach to investigate the effects of selective logging on the stress physiology of understorey birds, and correlative analyses to investigate the effects of physiological changes on population abundance, across unlogged and selectively logged forest of Borneo.

The first goal of the project was to determine which physiological endpoints of vertebrates are affected by forest disturbance. To this end, I reviewed all available literature and used meta-analytical techniques to quantify the size of the effects of different forest disturbances, including selective logging, on physiological and immunological parameters.

I have then investigated the effect of selective logging on the activity of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis in 10 understorey bird species. I used as marker of HPA axis activity the concentrations of corticosterone, the avian glucocorticoid hormone, deposited in feathers.

Another important physiological mechanism for maintaining homeostasis is the regulation of cellular oxidative status. Thus, I measured eight different markers of oxidative status in 15 understorey bird species living either in unlogged and selectively logged forests. I also investigated differences in the oxidative status between feeding guilds (i.e. insectivores and omnivores) and how they are affected by selective logging.

Last, I tested for differences in body size and body condition of more than 50 bird species across unlogged and selectively logged forests. Changes in body size and body condition can be sub-lethal effects of habitat degradation that may act as early signals to predict future population responses. This hypothesis was tested correlating changes in body size and body condition with changes in population abundance between the two types of forest.

Results point to feather corticosterone as a promising tool for monitoring the impacts of sylvicultural practises on understorey birds. There is little long-term effect of logging on the oxidative status of understorey bird species. Last, frugivores and omnivores have reduced body size in the logged forest compared to unlogged, pointing to potential functional consequences related to seed dispersal.


Effects of climate change on growth and development of Berula erecta as model species for freshwater macrophytes - Rosanne Reitsema (26/02/2021)

Rosanne Reitsema


Abstract

Zoetwaterecosystemen zijn een van de meest diverse maar ook een van de meest bedreigde ecosystemen op aarde. Aquatische macrofyten worden sterk beïnvloed door de gevolgen van klimaatverandering, verhoogde concentraties van opgeloste organische koolstof (DOC) en koolstofdioxide (CO2), maar ook veranderingen in stroomsnelheidsdynamiek, en eutrofiëring. Kennis over effecten van DOC en CO2 op waterplanten, en vooral over interacties met andere effecten van klimaatverandering is relatief beperkt. Daarom was het doel van deze thesis om effecten van klimaatverandering, zoals stijgende koolstofconcentraties, met een holistische benadering te onderzoeken waarbij ook naar interacties met andere milieufactoren is gekeken, in plaats van alleen afzonderlijke effecten te onderzoeken.

In deze thesis is vooral macrofytensoort Berula erecta (kleine watereppe) onderzocht. Onder natuurlijke omstandigheden in een laaglandbeek bleek dat biomassa, morfologie en het nutriëntengehalte sterk varieerden doorheen het groeiseizoen, en waren er interacties tussen plantengroei (biomassa en morfologie) en omgevingsfactoren zoals stroomsnelheid en de diepte van de fijne sedimentlaag.

Effecten van klimaatverandering zijn getest in een experiment waarbij twee macrofytensoorten (B. erecta en Myriophyllum spicatum) zijn blootgesteld aan een wijde CO2 en DOC gradiënt. De macrofyten reageerden op beide behandelingen, met de sterkste effecten bij de hoogste doses. Er waren grote verschillen tussen de twee soorten wat betreft hun groei- en morfologierespons. Ten slotte zijn effecten van interacties getest tussen verschillende aspecten van klimaatverandering in volgende experimenten. B. erecta werd daarbij blootgesteld aan verschillende combinaties van DOC, CO2, stroomsnelheid en nutriënten. Deze stressoren hadden soms tegengestelde effecten: CO2 stimuleerde de groei flink, door DOC kreeg het water een bruine kleur en dit limiteerde macrofytengroei door beschaduwing, een hoge nutriëntenconcentratie limiteerde groei indirect omdat epifytische algen gestimuleerd werden die de macrofyten beschaduwden, en verhoogde stroomsnelheid leidde tot een compactere groeivorm.

Aan de hand van deze thesis kan er geconcludeerd worden dat klimaatverandering grote effecten op macrofyten kan hebben. Verschillende aspecten van klimaatverandering hebben vaak tegengestelde effecten en er treden interacties op. Wanneer alle aspecten van klimaatverandering tegelijkertijd optreden kan er, op basis van de resultaten in die in deze thesis werden gevonden, verwacht worden dat ondergedoken macrofytenbiomassa in rivieren zal afnemen in kwantiteit en kwaliteit. Dit kan vervolgens negatieve gevolgen hebben voor aquatische processen en voor organismen die afhankelijk zijn van macrofyten.

The photocatalytic reduction of CO2 with H2 over modified Ti-Beta zeolites - Nick Hoeven (18/02/2021)

Nick Hoeven


Abstract

The earth has been warming up at an unprecedented pace during the last decades, which is majorly caused by increasing greenhouse gases. High CO2 concentrations in the atmosphere led to worldwide awareness of environmentally conscious thinking and acting to reduce this compound and other greenhouse gases. CO2 conversion makes valorization possible through valuable chemicals and fuels. This cradle-to-cradle philosophy is necessary in our current society, both reducing atmospheric greenhouse gases and simultaneously partly responding to the need for alternative fuels. This is fundamental as continuous increase of anthropogenic greenhouse gases are one of the most important issues of this and future generations.

In this thesis, the photocatalytic reduction of CO2 with H2 in the gas phase over modified Ti-Beta zeolites is studied. The goal of this thesis is the development of improved photocatalytic materials for CO2 applications in the gas phase and to overcome limitations posed by the use of TiO2 and classical semiconductors.

Different methods for CO2 utilization and conversion have been discussed. Furthermore, an overview on the mechanism of photocatalysis and the limitations of the use of TiO2, as well as the strategies to overcome those limitations have been described. In particular, the superior photocatalytic activity of isolated tetrahedrally coordinated Ti-species in combination with the high surface area of zeolites has been highlighted. The importance of a well-designed photocatalytic reactor and its influence on the turnover frequencies (TOFs) of the reaction products are also described. The experimental work focusses on the optimization of the synthesis method and the Ti loading of the Ti-Beta zeolites. Next, the synthesized zeolites are tested in a photocatalytic reactor and the influences of the material properties on the product TOFs are discussed. In order to further enhance the photocatalytic properties and the product selectivities of the catalysts, noble metal nanoparticles (Pt and Pd) are deposited onto the Ti-Beta zeolites. Finally, alternative catalysts (e.g. 3D printed structures and Z-scheme catalysts) are tested in the photocatalytic reactor and compared to the highest performing Ti-Beta catalysts.

In conclusion, this PhD has put a step forward in the development of novel and highly active photocatalytic materials, with improved performance compared to classical pure TiO2, for the photocatalytic reduction of CO2 in the gas phase.

Towards co-utilization of CO2 and Fe-rich sources to prepare clinker-free carbonate-bonded monoliths - Sumit Srivastava (15/02/2021)

Sumit Srivastava


Abstract

The main objective of this work was to contribute towards the co-utilization of CO2(g) and residues from metallurgical industries to produce Fe-carbonate bonded monoliths that are free from cement clinker. While excessive CO2 is considered a significant problem due to the increased global warming and its associated effects, Fe-rich metallurgical wastes are still used for low-value applications or are landfilled. Moreover, due to the volume of their use, construction materials production accounts for 7-8% of total CO2-emissions. Therefore, the co-utilization of slag and CO2 to produce construction materials has significant potential to contribute towards achieving future sustainability goals. In this study, Fe(0) is initially chosen as a model system to understand the feasibility of producing FeCO3-bonded monoliths under the desired reaction conditions (<100 °C, and <25 bar CO2-pressure). In addition to demonstrating the feasibility of FeCO3-cementation, the underlying reaction mechanisms are also discussed. Since the dissolution of Fe-sources is usually known to be the rate-limiting step, Fe-dissolution in dilute conditions is studied as a function of temperature, CO2-pressure, and time. Similar to the dissolution studies on Fe(0), dissolution studies in dilute solutions are also extended to the Fe-Si rich non-ferrous slags as a function of temperature, CO2-pressure, and time. In both the studies, it is shown that high temperature and CO2-pressure are conducive towards the dissolution of Fe(0) and Fe-rich slags. To transfer the knowledge of FeCO3-cementation from the model Fe(0) system to the sources in which Fe co-exists with Ca, FeCO3-cementation in CO2-H2O-Fe(0)-Ca(OH)2 systems is also studied. The importance of microstructures of the products, and the formation of mixed (Ca, Fe)-carbonates is pointed in this study. Finally, it is shown that the non-ferrous slags can be co-utilized with ferrous metallurgical slags rich in Ca to produce carbonate-bonded monoliths with high mechanical strength. It is shown that the carbonation of the non-ferrous slags as mixes with ferrous slags can lead to a significant decrease in environmental leaching. With more than 575 million tonnes of metallurgical slags produced every year, they offer an opportunity for significant CO2-mineralization as well as to produce low-carbon construction materials.

Sharing is caring: A Machine-Learning Based Management Framework for Efficient Spectrum Collaboration - Ruben Mennes (08/02/2021)

Ruben Mennes


Abstract

Wireless communication technologies became a part of our modern society. Every year the number of wireless devices and wireless technologies increases. Cisco expects that around 25.4 and 42.6 billion wireless devices will be connected to the Internet in 2022. This growth introduces some major challenges. One of these challenges is to use the wireless spectrum, used by all of these wireless devices, more efficient, especially within the radio bands itself.

To meet the demand of more wireless devices and higher throughput, new techniques are necessary to optimise the use of the wireless spectrum. Based on literature, it was expected that collaboration between neighboring wireless networks (from all kind of technologies) can improve the efficiency of the use of the wireless spectrum. Increasing spectrum efficiency can be accomplished in two ways: (i) the improvement of physical transmission, (ii) the use Artificial Intelligence (AI) to improve the decisions made by the wireless nodes. The improvement of the physical transmissions has a direct effect on the efficiency of the use of the spectrum. It is clear that the more efficient data can be transmitted, to improve the bits per Hertz, the less spectrum will be used for the same data. AI, on the other hand, gives us the opportunity make smarter decisions based on the physical limitations of the wireless system and behavior of the environment. The use of AI can also enable the possibility to start and maintain collaboration with other neighboring technologies to improve the efficiency of the wireless spectrum. This dissertation focuses on the contributions made for the AI decision engine for wireless network technologies. Within the context of this dissertation we focus on the use of AI to improve the decisions made by the wireless nodes.

This dissertation provides multiple improvements to enable collaboration for wireless networks, which will lead to a more efficient use of the wireless spectrum. First, we describe a decision-making framework designed to enable AI-enabled algorithms within wireless radio stacks. All other algorithms described in this dissertation are implemented within the framework. Secondly, we present a spectrum prediction algorithm. This prediction algorithm is able to predict the behavior of neighboring wireless networks, even if insufficient information is available. This ability provides us to select better transmission moments. Finally, we introduce the policy-based flow selection algorithm. This algorithm is able to collaborate to improve the Quality of Service and optimize the spectrum footprint.

Metal pollution and intoxication from artisanal gold mining in Kamituga, Eastern Congo - Bossissi Nkuba (02/02/2021)

Bossissi Nkuba

  • 02/02/2021
  • 16.00 uur
  • Online doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Lieven Bervoets, Sara Geenen & Landry Cizungu (Catholic University of Bukavu)
  • Departement Biologie


Abstract

Dit proefschrift onderzoekt het gebruik van kwik (Hg) in ambachtelijke kleinschalige goudwinning (ASGM), vervuiling van het aquatisch ecosysteem door Hg en andere metalen, en menselijke bedwelming door deze metalen in Kamituga (Oost-Congo).

Het eerste deel beoordeelt de perceptie van kwik, gebruikmakend van kwalitatieve gegevens en een kwantitatief onderzoek. Het ontdekte dat ondanks bestaande wetten die het gebruik van Hg in ASGM verbieden, een gebrek aan handhaving leidt tot wijdverbreid gebruik van Hg. Mijnwerkers gebruiken Hg op ertsconcentraten, waardoor de Hg-vervuiling wordt beperkt. Maar ze gebruiken Hg in woonwijken en binnen stroomgebieden van beken, waardoor gemeenschappen en aquatische ecosystemen worden blootgesteld. Mensen zijn slecht geïnformeerd over de effecten van Hg op milieu en gezondheid. De bevindingen bevatten echter enkele veelbelovende signalen, aangezien onze respondenten milieu- en gezondheidsbescherming meer prioriteit geven dan economische winst van ASGM.

Het tweede deel analyseert monsters verzameld op een zijrivier van de Congo-rivier (Zalya) en zijn netwerk. Het onderzoekt de concentratie van metalen in water, sediment, inheemse labeo-vissen gevangen in geselecteerde stromen en in experimenteel blootgestelde tilapia. Het bleek dat de metaalconcentratie in sedimenten, in tegenstelling tot in water, vaak de milieunormen overschreed. Inheemse vissen uit door de mijnbouw getroffen stromen hadden een hogere metaalconcentratie. Voor experimenteel blootgestelde vissen werd een hoge mortaliteit waargenomen, maar geen significante verschillen in termen van metaalophoping in overlevende vissen. Waterconsumenten zijn veilig, maar visconsumenten lopen mogelijk risico op Hg-, Cd- en Cr-vergiftiging als hun dagelijkse consumptie respectievelijk 77, 145 g en 138 g overschrijdt.

Het derde deel analyseert het dieet, de gezondheidstoestand en de symptomen die verband houden met metaalvergiftiging van mijnwerkers en niet-mijnwerkers en vergeleken met het metaalgehalte in hun bloed, urine, nagels en haar. Het bleek dat veel mensen Hg-waarden in hun bloed, urine, nagels en haar hadden, evenals een concentratie van andere metalen in verschillende weefsels boven de referentiewaarde. Mijnwerkers hadden hogere Hg-nagels, maar vergelijkbaar bloed, urine en haar hadden vergelijkbare Hg-waarden als niet-mijnwerkers. De prevalentie van mogelijke Hg-vergiftiging was gelijkmatig verspreid in de gemeenschap, maar was hoger voor mensen met een tilapia-rijk dieet. Symptomen waren niet gecorreleerd met hogere Hg-waarden, maar met andere factoren zoals leeftijd en ondervoeding.

Het proefschrift beveelt aan om de gemeenschap bewust te maken van blootstelling aan voedsel en beroepsmatige blootstelling, risico's van kwik en hoeveelheden vis die veilig zijn voor consumptie; toenemende formalisering van de ASGM-sector en capaciteit van wetshandhavingsinstanties die toezicht houden op het gebruik van Hg in mijnen; en monitoring van mogelijk vervuilde stromen.

Chemical transformation of bio-aromatic feedstock into building blocks for the production of bulk and fine chemicals - Jeroen Bomon (02/02/2021)

Jeroen Bomon


Abstract

De noodzaak om CO2 uitstoot terug te dringen, de prijsstijging van aardolie en de krimpende voorraden ervan maken het voor de maatschappij noodzakelijk om te investeren in de ontwikkeling van nieuwe, duurzamere manieren om te voldoen aan de noden van een continu groeiend bevolkingsaantal. De fabricage van producten gebaseerd op (bio)hernieuwbare grondstoffen is een mogelijke manier om dit aan te pakken. Als voorbeeld werden producten afgeleid van (hemi)cellulosereeds veelvuldig onderzocht en worden zelfs reeds toegepast in de industrie. Deze biopolymeren bevatten echter geen aromatische eenheden, wat bij voorkeur ander plantaardig materiaal vereist om deze belangrijke bouwstenen beschikbaar te maken voor de chemische industrie.

In dit Doctoraatsproefschrift werd het gebruik van hernieuwbare substraten, dewelke in hun structuur aromatische eenheden bevatten, vooropgesteld voor chemische omzetting. Bijvoorbeeld, biopolymeer lignine, de grootste bron aan bioaromatische verbindingen op aarde is potentieel een geschikte bron aan startmateriaal. Verscheidene routes zijn gekend om lignine the depolymeriseren in moleculen met een laag moleculair gewicht, waarvan een overzicht wordt weergegeven in Hoofdstuk 1. In Hoofdstukken 2-4 werd een waaier aan substraten afgeleid van lignine omgezet in waardevolle producten d.m.v. functionaliseringen en defunctionaliseringen. Naast lignine zijn ook ferulazuur en eugenol, respectievelijk bekomen uit rijstzemelen en kruidnagel, nuttige substraten in dit onderzoek.

In Hoofdstuk 2 wordt een goekope methode, enkel gebruik makend van een sterk zuur en heet water onder druk, voorgesteld om deze monomeren te defunctionaliseren op zowel koolstof- als zuurstofatomen van de dialkoxyareen-eenheden, hetgeen aanleiding geeft tot vorming van een hydroxybenzeen (fenol, catechol, pyrogallol en afgeleide isomeren) als product. Gelijkaardige omstandigheden, gebaseerd op het gebruik van hetzelfde sterk zuur of een heterogeen alternatief worden beschreven in Hoofdstuk 3 omtrent selectieve defunctionalisering op zuurstofatomen in de monomeren, hetgeen leidt tot vorming van C-gealkyleerde hydroxybenzenen. Naast deze werkwijzen voor defunctionalisering, wordt functionalisering van biohernieuwbaar substraat met stikstofatomen beschreven in Hoofdstuk 4, gezien dit element cruciaal is in de productie van verbindingen met farmaceutische of agrochemische toepassing. 

Het gebruik van een biohernieuwbare grondstof is één van de 12 Principes van Groene Chemie. Om te analyseren of de ontwikkelde reactiecondities eveneens kunnen beschouwd worden als “groen”, werd de CHEM21 Green Metrics Toolkit toegepast op zowel de nieuwe ontwikkelde methoden als op literatuurprocedures voor dezelfde reactie of voor de synthese van hetzelfde product, hetgeen ons toelaat een nuttige vergelijking te maken. Het resultaat van deze analyse wordt beschreven in Hoofdstuk 5. 

 

The impact of cadmium in the maize leaf growth zone - Jonas Bertels (01/02/2021)

Jonas Bertels


Abstract

Much is known about the impact of cadmium (Cd) stress on plants and the plant’s response to this form of abiotic stress. However, it is remarkable that the impact of Cd in the growth zone of monocotyledonous leaves remained largely unstudied. This growth zone hosts the two cellular processes driving growth, i.e. cell division and cell elongation. The aim of my PhD study was to assess the impact of Cd in this maize leaf growth zone at several biological levels.

We have found that Cd inhibited leaf growth mainly because it results in a significant reduction of cell production. Cells were halted at the G1-S transition of the cell cycle, which increased the cell cycle duration. In addition, when exposed to Cd, growing leaves had a lower number of meristematic cells and therefore less cells are contributing to cell division. In addition, we have found that Cd accumulated highest in the meristematic tissue, indicating that it could impact processes therein directly. To reveal these processes, we have performed a transcriptome study. This resulted in a broad range of Cd affected processes, which led me to perform biochemical analyses of several phytohormones, minerals, two oxidative stress related parameters and carbohydrates. We showed that Cd caused an increase in stress hormone levels (i.e. salicylic acid, abscisic acid and 1-aminocyclopropane 1-carboxylic acid (ACC, an ethylene precursor)) and a decrease of growth promoting hormones (i.e. gibberellin 1 and trans-zeatin riboside). For gibberellin 1, we were able to directly link changes in the spatial distribution of this phytohormone to changes in transcript levels of key gibberellin synthesis and degradation genes. Regarding the measured minerals, we mainly found manganese to be the most strongly and consistently Cd affected nutrient. Lipid peroxidation and antioxidant potential were increased throughout the entire maize leaf growth zone, demonstrating that Cd resulted in oxidative stress in all developmental stages. Lastly, we found that carbohydrates were increased under Cd stress, perhaps in response to oxidative or osmotic stress.


During my PhD study, we have also published leafkin, an R package that contains four functions which allow the user to perform all calculations in a kinematic analysis of monocot leaf growth. In addition, it allows cell length profiles and leaf elongation rates to be easily extracted, which in turn can be used in separate analyses.

Development of advanced hyperspectral unmixing methods - Bikram Koirala (18/01/2021)

Bikram Koirala


Abstract

Hyperspectral cameras collect the reflected light of materials in hundreds of narrow, contiguous spectral bands in the visible, near and shortwave infrared wavelengths to provide a continuous reflectance spectrum for each pixel. Due to the complex interaction of light with materials, these spectra are highly nonlinear mixtures of the reflectances of the material constituents. The general goal of this thesis is to estimate the composition of materials from reflectance spectra.

Mixing models describe the reflectance spectrum of a material as a (nonlinear) mixture of the constituent materials. The main disadvantage of these models is that the model parameters are not properly interpretable in terms of the fractions. Moreover, not all spectra necessarily follow the same particular mixing model.

Alternatively, the complex mixing effects can be learned using supervised machine learning methods. This requires ground truth training data, in the form of the actual compositions (i.e., the spectra and fractions of the constituents). One major drawback of these strategies is that the estimated fractions do not comply with their physical constraints, leading to a loss of the physical meaning of the estimated parameters. Another disadvantage of the learned models is that they cannot perform well in case training and test spectra are obtained under different environmental conditions or by different sensors, causing spectral variability of the acquired spectra.

In this thesis, a hybrid framework was developed that combines the physical interpretability of a model and the flexibility of data-driven approaches. The general idea is to learn the complex relation between the nonlinear spectra and spectra that follow a particular mixing model by utilizing advanced machine learning regression algorithms. Based on this strategy, a number of different nonlinear unmixing methods were developed:

1) A supervised method that learns a mapping between the nonlinear spectra and the linear mixing model.

2) A strategy for the estimation of leaf biochemical parameters from leaf reflectance and transmittance spectra, by learning a mapping to a leaf biochemical model (PROSPECT).

3) A semi-supervised method to reduce the number of training samples required to learn the nonlinearities, and additionally does not require the availability of pure pixels.

4) A robust supervised method for nonlinear spectral unmixing that is invariant to endmember variability.

The impact of long-duration spaceflight on brain structure and function - Steven Jillings (14/01/2021)

Steven Jillings

  • 14/01/2021
  • 17.00 uur
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Floris Wuyts, Angelique Van Ombergen, Ben Jeurissen & Athena Demertzi
  • Departement Fysica

Abstract

Na bijna zestig jaar van bemande ruimtemissies is er veel onderzoek gebeurd naar het effect van ruimtevaart op de mens. Echter, het effect op de hersenen heeft beperkte aandacht gekregen in het verleden. Dit werk beschrijft pionierswerk op vlak van veranderingen in de hersenen als gevolg van langdurige ruimtevaart door de hersenen van Roscosmos kosmonauten te beeldvormen met behulp van nucleaire magnetische resonantie (MRI) via een longitudinale prospectieve studie. Wij onderzochten volumeveranderingen en veranderingen in de composities van hersenweefsel en hersenvocht na ruimtevaart met behulp van structurele MRI, zoals T1-gewogen en diffusie MRI. Wij vonden een grootschalige herverdeling van het hersenvocht rond het brein met vervormingen van de grijze stof als een secundair mechanistisch effect van deze vloeistofverschuiving. We toonden aan dat de hoeveelheid hersenweefsel in enkele motorische regio’s van de hersenen steeg, wijzend op een structurele aanpassing van de hersenen, ook bekend als neuroplasticiteit, dat toelaat om motorische functies aan te passen naar een situatie van gewichtloosheid. Uit de MRI data die werd opgenomen meer dan een half jaar na de ruimtemissie bleek dat de meeste veranderingen die we zien net na de ruimtemissie nog deels aanwezig zijn op langere termijn. We onderzochten ook functionele reorganisatie in het brein na ruimtevaart, wat aantoonde dat de functionele connectiviteit in verschillende hersenregio’s veranderde na ruimtevaart en dat sommige veranderingen tot een half jaar na de ruimtemissie aanhielden, terwijl anderen terugkeerden naar het niveau van voor de ruimtemissie. Dit werk beschrijft ook preliminaire resultaten van twee studies die analoog zijn aan ruimtevaart. In een pilootstudie bij muizen werd het model van hindlimb unloading toegepast, wat een vloeistofverschuiving naar het hoofd teweegbrengt, om zo verder te onderzoeken hoe deze vloeistofverschuiving de hersenen op structurele wijze aantast. Een tweede studie onderzocht verschillen in functionele organisatie in de hersenen van F16 piloten vergeleken met controles, waarbij F16 piloten een model zijn voor blootstelling aan hoge G-krachten en conflicten in inkomende zintuiglijke informatie in de hersenen. In het geheel heeft dit werk geleid tot een grote toename van informatie over structurele en functionele veranderingen in de hersenen na ruimtevaart. In de toekomst trachten we te kunnen vastleggen welke veranderingen ongewenst zijn, zodat we ze kunnen minimaliseren door tegenmaatregelen te ontwikkelen, en welke gewenst zijn, zodat we ze kunnen stimuleren. Op die manier kunnen we de mensheid beter voorbereiden op langere en verdere missies naar de ruimte in de toekomst, zoals een missie naar Mars.

Unlocking the Potential of Plasma Catalysis - Yannick Engelmann (12/01/2021)

Yannick Engelmann


Abstract

CO2 conversion, CH4 conversion and NH3 synthesis are three essential processes that can help to reduce greenhouse gas emissions. However, these processes typically require harsh reaction conditions when performed thermally, because of the strong chemical bonds of the reactants. Plasma catalysis can provide alternative methods to activating chemical bonds at ambient conditions. Due to the complexity of plasma-catalytic systems, fundamental understanding of the underlying mechanisms is still lacking, impeding the optimization of the technology and holding back its full potential. The aim of this dissertation is to provide fundamental understanding, needed to unlock the full potential of plasma catalysis.

As a tool to acquire the fundamental understanding, we introduced microkinetic modelling to provide detailed information on reaction mechanisms, kinetics and thermodynamics of the processes. In this way, we identified the limitations of thermal processes, but also unraveled if and how plasma-catalytic processes can overcome these limitations. The main difficulty of CO2 hydrogenation is to selectively produce CH3OH at sufficient rates. In plasma catalysis, the contribution of the plasma is twofold: excitation of the reactant molecules, lowering the barrier of dissociation and increasing the conversion rates of the thermal pathways, and generation of reactive radicals and intermediates, allowing new, unique pathways that potentially lead to CH3OH (often in a much faster way).

In the study on the conversion of CH4, we showed the limitations of transition metal catalysts to produce C2-hydrocarbons under thermal conditions. Thermally, the more noble catalysts are not able to dissociate the strong chemical bonds of the CH4 molecule, while the less noble catalysts suffer from cokes formation. In plasma catalysis, dissociation rates on noble catalysts can be increased by vibrationally exciting the reactants, or catalytic dissociation can be avoided by adsorption of plasma-generated radicals. Whether the adsorbed species couple directly to C2-hydrocarbons or undergo further dehydrogenation before coupling, can be controlled by the catalyst binding strength.

Lastly, the potential of the plasma-catalytic NH3 synthesis is locked in the enhanced catalytic rates, caused by plasma-induced excitation and plasma-generated radicals. Again, both vibrationally excited species and plasma-generated radicals are found to improve the NH3 synthesis rates. Due to the contribution of ER reactions, rates are not only increased on noble catalysts, but also on more strongly binding catalysts, making the choice of the catalyst material much less impactful.