Wetenschappen

Doctoraten 2021

Woon een doctoraat bij of raadpleeg de voorbije verdedigingen

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.