Wetenschappen

Doctoraten 2022

Woon een doctoraat bij of raadpleeg de voorbije verdedigingen

Search for dark matter with the CMS detector at the Large Hadron Collider - Senne Van Putte (07/06/2022)

Senne Van Putte


Abstract

Het standaardmodel van de deeltjes fysica heeft enorme successen geboekt in de laatste decennia. Het is in staat om experimentele bevindingen te beschrijven met verbazingwekkende precisie en voorspelde nieuwe deeltjes zoals topquarks en Higgs bosons. Als fundamentele beschrijving van de natuur is het een van de meest geteste theorieën die ooit bestaan heeft. Ondanks deze overwinningen zijn er observaties die wijzen op het bestaan van fenomenen die niet behoren tot het standaardmodel. Zij vormen een groeiende collectie van aanwijzingen voor het bestaan van fysica buiten onze huidige kennis.

Een voorbeeld hiervan zijn de talrijke astronomische observaties die duiden op de aanwezigheid van onzichtbare zwaartekracht bronnen. Bewegingen van verre sterrenstelsels kunnen niet altijd verklaard worden met de zichtbare materie, en wijzen op de aanwezigheid van donkere materie. Of het op een andere manier kan interageren met normale materie, buiten de zwaartekracht, blijft een open vraag, al lijken kosmologische observaties te wijzen op een additionele interactie die niet veel sterker is dan de zwakke interactie. Er bestaan vele uitbreidingen op het standaardmodel die proberen een geschikte kandidaat te bieden voor de rol van donkere materie.

Hier wordt een model bestudeerd dat donkere materie introduceert samen met twee deeltjes die in staat zijn te interageren met zowel de verborgen sector als het standaardmodel. Andere deeltjes zijn doelbewust buiten beschouwing gelaten, om de relevantie van het beschouwde model te maximaliseren. Om te voldoen aan de kosmologische observaties introduceert het model een extra lokaal ijkveld U'(1) wat leidt tot een bijkomend Z'-boson. Ook wordt er een extra scalair veld toegevoegd dat deze U'(1) symmetrie spontaan breekt, en hierbij de massa van de deeltjes in de donkere sector genereert. Het resulterende additionele boson wordt het donkere Higgs boson genoemd.

Voorspellingen van het donkere Higgs model, waarin een donker Higgs boson vervalt in twee W-bosonen in het semi-leptonisch kanaal, worden vergeleken met data van de LHC, gecollecteerd met de CMS detector. Data werd verzameld in de tweede actieve periode van de LHC tussen 2016 en 2018 met een geïntegreerde luminositeit van 137/fb. In deze fase was de massa centrum energie van de botsende protonen 13 TeV.

Resultaten werden gecombineerd met de bevindingen uit de analyse van het vol-leptonische verval van de W-bosonen. Geen significante waarnemingen boven de voorspellingen van het standaardmodel werden geobserveerd. Grote delen van de parameterruimte van het donkere Higgs model werden uitgesloten.




Path integral treatment of systems with general memory: Application to the Bose polaron problem - Timour Ichmoukhamedov (03/06/2022)

Timour Ichmoukhamedov

  • 03/06/2022
  • 10.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, gebouw R, Aula R.2
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotor: Jacques Tempere
  • Departement Fysica


Abstract

An impurity in a medium can become dressed by the excitations of the medium and form the polaron quasiparticle. This behavior is best known in the case of an electron moving through a crystal lattice, but has also been observed across various other physical systems. Recently, the Bose polaron where an atomic impurity is immersed into a Bose-Einstein condensate, has been experimentally observed. Spurring further extensive study of this system, the Bose polaron has attracted significant theoretical interest, as it exhibits a number of theoretical challenges that have previously not been encountered in other polaronic systems.

One of the seminal tools to study polaronic systems is Feynman’s variational path integral approach. In this formalism, the medium surrounding the impurity is integrated out such that the impurity is described through delayed interactions with itself at previous times. Hence, the polaron problem is closely related to the problem of capturing memory effects in the path integral approach. This thesis presents different extensions of treating general memory effects with path integrals to capture the challenging physics of the Bose polaron problem.

Three questions are investigated in detail. In the literature, the path integral approach has already been applied to the Bose polaron in the past, but more recently this application was shown to be insufficient to capture the subtle UV behavior of the system. In the first part of the thesis, we investigate which extensions to the method should be made to correct this shortcoming. Next, we discuss the inclusion of the so-called extended Fröhlich interactions that become important at strong coupling between the impurity and the medium. Finally, we explore how these methods can also be extended to describe many impurities in a Bose-Einstein condensate.




Wetlands for dry land Role of bio-physical interactions in tidal marshes for nature-based shoreline protection - Ken Schoutens (30/05/2022)

Ken Schoutens

  • 30/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Promotiezaal Q002
  • Promotor: Stijn Temmerman
  • Departement Biologie


Abstract

Global climate changes impose multiple challenges, including the increasing risk of coastal flood hazards due to sea level rise and increasing impact of storm activity. Social and economic cost of flood hazards are huge since low elevated coastal zones often house densely populated and industrialized communities. Hence, there is a strong urge to implement sustainable climate adaptation strategies. In this context, nature-based shoreline protection approaches such as conservation or (re)creation of tidal marsh ecosystems provide multiple opportunities. Nevertheless, effective implementation of tidal marsh ecosystems as a complementary shoreline protection is hampered by the uncertainties about their effectiveness and reliability. This thesis elaborates on the role of species-specific plant traits, how they vary spatially and over time, how they interact with hydrodynamics and sediment dynamics and, how these feedbacks contribute to the shoreline protection capacity of tidal marshes. Field monitoring and field experiments were done along the brackish part of the Elbe estuary, Germany and flume experiments took place in the Large Wave Flume, Hannover, Germany and the Mesodrome tidal flume facility, Antwerp, Belgium. This thesis provides new insights in the role of species-specific plant traits within the mutual interactions between hydrodynamic forces, sediment dynamics and vegetation that are crucial in understanding the spatial-temporal shoreline protection efficiency of tidal marshes. We show that hydrodynamic forces from waves and currents form a not to be neglected additional stressor for plant growth and survival and we illustrate how these forces constrain suitable conditions for successful tidal marsh conservation, restoration and creation. Moreover, we argue how providing enough space to allow marsh expansion will increase the resilience and reliability of the nature-based shoreline protection function of tidal marsh in a changing climate.




Jacobi fields, conjugate points and nonlinear splittings in Finsler geometry and related fields - Sándor Hajdú (30/05/2022)

Sándor Hajdú

  • 30/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Tom Mestdag & Sonja Hohloch
  • Departement Wiskunde


Abstract

Fenomenen uit de fysica kunnen vaak worden geassocieerd met functies die continu in de tijd variëren en deze functies voldoen meestal aan een stelsel van differentiaalvergelijkingen. We bepaalde aspecten van stelsels van tweede-orde differentiaalvergelijkingen. We passen de resultaten toe op de context van de Finslermeetkunde en de Lagrangiaanse mechanica.

Net zoals bij geodeten van Riemannvariëteiten kan men toegevoegde punten definiëren voor stelsels van tweede-orde gewone differentiaalvergelijkingen (SODE's). In dit proefschrift geven we een methode om dergelijke toegevoegde punten te vinden en passen we onze resultaten toe op lokaal symmetrische SODE's en op Lagrangiaanse systemen met een symmetrie-Liegroep. Sprays zijn een specifiek type SODE's. Men noemt twee sprays projectief equivalent als ze dezelfde geodeten hebben, gezien als verzamelingen van punten. We benutten de vrijheid bij de keuze van een representant van een projectieve klasse van sprays in de zoektocht naar hun toegevoegde punten. In de context van de Finslermeetkunde gebruiken we de theorie van cut punten om een conclusie te trekken over het bestaan van toegevoegde punten voor een klasse van Finslermetrieken van het Randers-type.

Vervolgens onderzoeken we niet-lineaire splitsingen op vezelbundels. Deze kunnen worden gezien als veralgemeningen van Ehresmannconnecties. We onderzoeken zowel de overeenkomsten als de verschillen tussen niet-lineaire splitsingen en Ehresmannconnecties. We laten zien hoe bepaalde structuurbehoudende submersies zich verhouden tot niet-lineaire splitsingen. We definiëren ook een krommingsafbeelding voor niet-lineaire splitsingen en we laten zien hoe deze kan worden gebruikt om het submersief zijn van Lagrangiaanse systemen van het magnetische type te onderzoeken. Ten slotte passen we onze resultaten toe op de context van Finslermeetkunde en presenteren we nieuwe, interessante voorbeelden van Finslervariëteiten.




Individual variation in an ectoparasite-host system: life history, fitness and evolutionary potential - Gerardo Fracasso (24/05/2022)

Gerardo Fracasso

  • 24/05/2022
  • 16.30 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.03
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Erik Matthysen & Dieter Heylen
  • Departement Biologie


Abstract

Parasites and hosts are dynamic interactions exerting reciprocal selective pressures. Thus, host-parasite interactions are ideal systems for the study of ecological and coevolutionary processes. However, while the effects of parasites on hosts have been extensively investigated, host-induced parasite evolution and parasite life history have been neglected. In particular, knowledge on the amount of among- and within-individual variation between parasite traits is mostly unknown despite its fundamental importance to understand parasite performance and evolution. In this dissertation, I report four experimental studies investigating several aspects of parasite individual variation in a tick-songbird system, namely the bird-specialized tree-hole tick Ixodes arboricola and its main host, the great tit Parus major.

First, I investigated the behavioural preferences for tick attachment sites on the host body. Experiments were carried out using three tick species differing in ecology and host specificity both with and without grooming restrictions. The experimental findings as well as the literature evidence suggest that ticks prefer to attach to the host head and actively move to this area. I hypothesize that this pattern is consistent throughout ixodid ticks feeding on birds.

Second, I report how fundamental life-history traits affect individual tick success at every stage, and estimate their phenotypic and genetic correlation between and within stages as well as the trait evolutionary potential (using animal models) for feeding time, engorgement weight, moulting time, and number of hatched eggs. Additionally, I account for the effect on the abovementioned traits of tick sex, maternal effect, host identity, fasting time and batch. Results suggest differences in tick individual quality, for which engorgement weight seems to be a good proxy.

Third, I report a study investigating variation and heritability of host quality from the parasite perspective. Here, I measured to what extent hosts can affect tick performance and life history of larvae and nymphs both on- and off-host. I show that host individual characteristics significantly influenced larva and nymph attachment success. Additionally, hosts had an heritable effect on tick feeding time and, to a lower extent, on several other traits and success parameters.

Lastly, I investigated whether I. arboricola males prefer to mate with heavier engorged females in order to obtain a higher fitness. Surprisingly, male mate choice experiments carried out in two different setups showed a lack of preference for heavier females. However, males seem to remember and avoid the mating partners they previously met.




Search for production of hidden particles in proton-proton collisions with the CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) using displaced non-prompt lepton - Mohamed Rashad Darwish (24/05/2022)

Mohamed Rashad Darwish

  • 24/05/2022
  • 15.00 uur
  • Locatie: Campus Groenenborger, Z.223
  • Promotoren: Albert De Roeck & Nick Van Remortel
  • Departement Fysica


Abstract

Dit doctoraatsproject beschrijft een speurtocht naar een totaal nieuw mogelijk fundamenteel deeltje en gebruikt daarvoor de gegevens die geregistreerd werden met het CMS experiment bij de Large Hadron Collider (LHC), een proton-proton collider in CERN, Geneve, Zwitserland. De gegevens werden gedurende de zogenaamde Run-2 van de LHC in 2016, 2017 en 2018 geregistreerd met proton-proton botsingen bij een botsingsenergie van 13 Tera-electron volt. Het gezochte nieuwe deeltje is een zogenaamd zwaar neutraal lepton (Heavy Neutral Lepton; HNL) dat potentieel tot dezelfde familie behoort als het welgekende Standard Model neutrino deeltje. Samen met de gekende links-handige neutrinos die interageren met het zware W en Z boson, postuleert het νMSM model het bestaan van drie extra rechts-handige neu- trinos met relatief lage massa waarden, die en ge ̈etikeerd zijn als N1 –dat mogelijk een kandidaat is voor een light stabiel deeltje dat donkere materie kan verklaren–, N2 en N3, en deze twee laatste zouden metastabiele deeltjes zijn met, voor een onstabiel fundamenteel deeltje, een potentiele lange leeftijd. Het bestaan van deze deeltjes zou de symmetrie tussen links- en rechtshandige deeltjes kunnen herstellen in het Standard Model. Bovendien kan het νMSM model, als dat inderdaad gerealiseerd is in de natuur, buiten het bestaan van de donkere materie ook de materie-antimaterie asymmetrie die we waarnemen in het heelal, en de eveneens experimenteel geobserveerde zeer kleine, maar definitief verschillend van nul, massa waarden van de neutrinos te verklaren. De exacte waarden van de massas en interaktie koppelingen van deze nieuwe deeltjes zijn niet bekend, maar in een groot gedeelte van de theoretische parameter ruimte is het N1 deeltje veel lighter in massa dan een GeV, terwijl het N2 en N3 deeltje een massa waarde tussen een GeV tot tientallen GeV kan bedragen. Deze laatste deeltjes kunnen geproduceerd en geobserveerd worden bij de LHC.

Dit doctoraatswerk geeft eerst een theoretische inleiding tot het Standard Model en de uitbreiding daarvan naar het νMSM model, samen met een uitgebreide beschrijving van het CMS experiment en het versnellingscomplex van de LHC. De hoofd- focus van het proefwerk is de zoektocht naar HNL deeltjes met een lange leeftijd, voor neutrinos met zowel Dirac als Majorana eigenshappen, en geconcentreerd op verval-eindtoestanden die gekenmerkt zijn door de aanwezigheid van twee geladen leptonen (muonen of elektronen), jets en een expliciete observeerbare verval-vertex. Zulke deeltjes kunnen geproduceerd worden in proton-proton botsingen bij de LHC in vervallen van W en Z bosonen. Deze vervallen zijn een bron van Standard Model neutrinos bij de LHC en deze neutrinos kunnen door mixing in de experimenten tevoorschijn komen als HNLs. De leeftijd van deze deeltjes, alvorens ze vervallen, hangt af van de grootte van de mixing parameters van neutrinos met HNLs en van de massa van deze HNLs. Voor lage massa waarden en kleine mixing is de verval lengte groot genoeg opdat een detecteerbare verval-vertex kan worden gemeten.

Na een zoektocht in de CMS data waarbij verschillende nieuwe analyse methoden worden voorgesteld en toegepast, en die uitgevoerd worden op de data in een zo- genaamde blinde analyse, blijkt de data uiteindelijk geen signaal van HNL deeltjes te bevatten. De resultaten zijn volledig consistent met de verwachte hoeveelheid achtergrond botsingen. De resultaten worden daarom vervolgens voorgesteld als bovenlimieten voor de produktie werkzame doorsnede van deze potentieel nieuwe deeltjes. De limieten zijn de op dit moment beste resultaten in de zoektocht naar Zware Neutrale Leptonen.


Modelling three-dimensional nanoparticle transformations based on quantitative transmission electron microscopy - Ece Arslan Irmak (23/05/2022)

Ece Arslan Irmak

  • 23/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Groenenborger, T.103
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Sandra Van Aert & Sara Bals
  • Departement Fysica


Abstract

The structure-property relationship of nanoparticles is linked to the positions of the atoms and even small changes in the local structure of a given particle may significantly affect its performance for a specific application. However, when these particles are exposed to application-relevant conditions, such as elevated temperatures or intense light illumination, rapid structural transformations and changes in elemental distribution are observed. In order to gain control over the structure-dependent properties and performance of nanomaterials, an atomic-scale understanding of the ongoing transformations is of crucial importance. In situ transmission electron microscopy (TEM) experiments provide useful information to analyze nanoparticle changes down to the atomic scale during heating. Nonetheless, these investigations are often performed based on 2D TEM images which are usually inadequate to analyze the structure-property relation of nanomaterials because they only provide a projected image of a 3D structure.

This thesis is devoted to presenting robust approaches by joining the scanning TEM (STEM) imaging technique and theoretical calculations to capture 3D atomic-scale transformations of metallic NPs in response to changes in their environment. Within this framework, the research presented in this thesis is conducted twofold. The first part aims to present a refined method to investigate the 3D dynamics of metallic NPs lying on an oxide support based on 2D STEM images acquired during in situ experiments at high temperatures, which is of importance to understand their behavior during catalytic reactions. On the other hand, atomic-scale transformations cannot be captured by only experimental techniques when in situ STEM experiments do not provide the necessary time or spatial resolution or when the specific environmental trigger cannot be applied. Therefore, in the second part of this thesis, 3D experimental characterization techniques are combined with atomistic simulations to extract missing atomic-scale dynamics of NPs. In this manner, the complex atomistic rearrangements upon heating and intense light illumination that cannot be achievable by experimental observations are unraveled for Au-Pt bimetallic and mesoporous silica-coated Au nanoparticles, which are of interest for several plasmonic and catalytic applications.



Multidimensional exponential analysis: theory and applications - Ferre Knaepkens (20/05/2022)

Ferre Knaepkens

  • 20/05/2022
  • 14.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Annie Cuyt & Wen-shin Lee
  • Departement Wiskunde


Abstract

Multidimensional exponential analysis, also known as sparse interpolation or harmonic analysis, is the central theme of the thesis. The overall aim is not only to provide valuable theoretical contributions, but also to bridge the gap between this theoretical foundation and the numerical implementation, to ultimately advance several relevant engineering applications. For this reason, this thesis is divided into four different parts.

The theoretical results are based on the further development of the connections between exponential analysis, Padé approximation theory and tensor decomposition. In particular the connection with Padé approximants is used to address the infamous ill-conditioning and sensitivity to noise of Prony-like methods.

These new theoretical findings are then applied to various challenging application domains. The logical starting point of this endeavour is a one-dimensional problem before moving on to the multidimensional setting. Hence, as starting point we tackled one-dimensional direction of arrival estimation. Subsequently, we explored some multidimensional applications. First, we consider two two-dimensional problems, namely antenna position estimation in the nearfield and the denoising of structured images. Finally, we explored inverse synthetic aperture radar, which is a three-dimensional application.

To conclude, we cover a few additional topics that are independent of the previous sections. First, we describe how lower-dimensional exponential models can be blended into a single model in a higher-dimensional space. Next, we examine the feasibility of using exponential analysis to solve problems in dimensions higher than three. Finally, we discuss our efforts to share new developments using the mathematical toolbox Sparsimatics.


Krylov subspace methods as key building blocks for numerical linear algebra and optimization - Jeffrey Cornelis (18/05/2022)

Jeffrey Cornelis

  • 18/05/2022
  • 15.15 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, A.143
  • Promotoren: Wim Vanroose & Siegfried Cools
  • Departement Wiskunde


Abstract

Het oplossen van een lineair stelsel van vergelijkingen is ongetwijfeld één van de meest fundamentele taken in numerieke lineaire algebra en optimalisatie. Niet alleen zijn deze lineaire stelsels vaak belangrijk op zichzelf, zij komen ook vaak voor als deelproblemen wanneer we een complexer probleem trachten op te lossen. Veel toepassingen in wetenschap en industrie kunnen worden gemodelleerd met behulp van een ijle matrix, d.w.z. met slechts een beperkt aantal niet-nul elementen. Bovendien volstaat het in veel gevallen om een benaderende oplossing te berekenen van het lineaire stelsel. In plaats van de exacte oplossing te berekenen, verbeteren Krylov-deelruimte methoden op iteratieve wijze een benaderde oplossing tot aan een vooraf bepaalde tolerantie is voldaan. De voornaamste rekenkosten van deze methoden zijn de matrix-vector producten die bij elke iteratie berekend moeten worden. Het totaal aantal bewerkingen voor een matrix-vector product is relatief bescheiden voor ijle matrices, zelfs als het aantal onbekenden zeer groot is, waardoor Krylov-deelruimte methoden efficiënte oplossingsmethoden zijn voor ijle lineaire stelsels van vergelijkingen.

In het eerste deel van het proefschrift ontwikkelen we een herformulering van de Conjugate Gradient methode, één van de meest gebruikte Krylov-deelruime methoden, met verbeterde parallelle schaalbaarheid op grote distributed-memory computers vergeleken met de standaard implementatie. Het hoofdidee van onze aanpak is om de globale communicatiefase van de dot-productoperatie te overlappen met rekenwerk, wat kan worden bereikt door geschikte hulpvariabelen en recursie relaties te introduceren.

In het tweede deel van het proefschrift stellen we nieuwe technieken voor om (gegeneraliseerde) Krylov-deelruimten te benutten in gespecialiseerde optimalisatieroutines, met speciale aandacht voor slecht geconditioneerde inverse problemen. We ontwikkelen een nieuwe hybride regularisatiemethode die simultaan een geregulariseerd invers probleem oplost en de overeenkomstige regularisatieparameter vindt zodat aan het discrepantieprincipe wordt voldaan. We ontwikkelen ook een gemende-precisie techniek om een interior-point methode voor het oplossen van lineaire programmeringsproblemen te versnellen door gebruik te maken van een Cholesky factorisatie in enkele precisie als preconditioner voor de Conjugate Gradient methode geïmplementeerd in dubbele precisie.


Middle ear mechanics and eardrum material properties in mammals and lizards: an experimental and modeling approach - Pieter Livens (17/05/2022)

Pieter Livens

  • 17/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Groenenborger, US025
  • Promotor: Joris Dirckx
  • Departement Fysica


Abstract

In de eerste stap van het hoorproces vangt het trommelvlies geluidstrillingen op die door drie gehoorbeentjes worden doorgegeven aan het met vloeistof gevulde slakkenhuis. Het gecombineerde systeem van trommelvlies en gehoorbeentjes wordt de mechanica van het middenoor genoemd en fungeert als een akoestisch-mechanische transformator.

Computermodellering speelt een essentiële rol bij het begrijpen hoe het middenoor geluidsenergie transporteert naar het slakkenhuis. Bovendien stellen deze simulaties ons in staat de materiaaleigenschappen, zoals massaverdeling en stijfheid, van dit systeem te variëren om te onderzoeken welke eigenschappen een belangrijke rol spelen en bij welke frequenties. Dergelijke variaties zijn experimenteel moeilijk of onmogelijk te realiseren, zodat simulaties tot waardevolle inzichten leiden. Dergelijke modellen zijn echter afhankelijk van goed gedefinieerde invoerparameters om geldige resultaten te verkrijgen.

Als eerste werd het middenoor van de anolis hagedis (Anolis sagrei) onderzocht met behulp van eindige-elementen modellering. De computersimulaties toonden aan dat deze dieren intern gekoppelde middenoren gebruiken om geluiden te lokaliseren. Het bleek dat het simuleren van het effect van de vloeistoffen van het binnenoor de nauwkeurigheid van de simulaties verbeterde en dat het belangrijk is dit mee te nemen in toekomstige studies.

Vervolgens werd de verplaatsing van het trommelvlies van de gekko (Gekko gecko) gemeten wanneer langzaam variërende druk werd uitgeoefend. De grootste verplaatsingen tot op heden werden waargenomen, waaruit blijkt dat dit middenoor zeer elastisch is.

Vervolgens werd de stijfheid van het menselijk trommelvlies berekend met behulp van een nieuwe methode. Een menselijk trommelvlies werd aan het trillen gebracht onder verschillende geluidsfrequenties. Uit deze trilling-gegevens werden de verplaatsing en vervorming van het trommelvlies berekend. Vervolgens werd de zogenaamde virtuele-veldenmethode ontwikkeld voor deze dunne trillende membranen, wat leidde tot de identificatie van de stijfheid van het trommelvlies.

Wanneer de verplaatsingen groot worden, moet de virtuele-veldmethode worden uitgebreid met de theorie van eindige vervormingen. Deze nieuwe methode werd gevalideerd op rubberen membranen, maar moet in de toekomst zeker op trommelvliezen worden getest om ook in dit geval materiaalwaarden van het trommelvlies te achterhalen.

Tenslotte werd de aanwezigheid van zogenaamde voorspanning onderzocht. Wanneer het trommelvlies in rust is, kunnen de trekkrachten van het middenoor nog voor interne spanning op het trommelvlies zorgen. Door verschillende kleine incisies over het trommelvlies van het konijn te maken, werd aangetoond dat voorspanning zeker aanwezig was. In de toekomst moet worden onderzocht of dit effect ook bij het menselijk trommelvlies optreedt.

Beyond the Fröhlich Hamiltonian: Large polarons in anharmonic solids - Matthew Houtput (13/05/2022)

Matthew Houtput


Abstract

Een conductie-elektron in een vaste stof wordt meestal beschreven als een vrij, niet-interagerend elektron. In een polair kristal zijn de ionen echter geladen, waardoor het elektron kan interageren met de roostertrillingen (fononen). Het is de gewoonte om het elektron en de fononwolk samen te nemen tot een nieuw quasideeltje: het polaron. Een goed begrip van elektron-fonon koppeling is belangrijk in de vastestoffysica aangezien dit invloed heeft op allerlei materiaaleigenschappen, zoals de DC conductiviteit, optische absorptie, en thermische geleidbaarheid van het materiaal. Elektron-fonon koppeling zorgt ook voor paarvorming van elektronen, wat aanleiding geeft tot supergeleiding.

Eén van de oudste kwantummechanische modellen voor de beschrijving van polaronen is de Fröhlich Hamiltoniaan. Hoewel elektron-fonon koppeling tegenwoordig accurater kan beschreven worden met ab initio methodes, wordt de Fröhlich interactie nog steeds gebruikt vanwege zijn relatieve eenvoud. De Fröhlich Hamiltoniaan neemt aan dat de elektron-fonon interactie lineair is. Recent is echter duidelijk geworden dat ook hogere orde interactietermen belangrijk zijn in sommige materialen. In deze thesis breiden we Fröhlich theorie uit met de laagste orde anharmonische interactie: de 1-elektron-2-fonon interactie. Het centrale resultaat van de thesis is een analytische uitdrukking voor de interactiesterkte van een elektron dat interageert met twee longitudinaal optische fononen, in de continuümbenadering. Voor kubische materialen hangt deze interactiesterkte enkel af van één scalaire parameter, wat het onderzoek van deze Hamiltoniaan sterk vereenvoudigt.

In de rest van de thesis wordt deze Hamiltoniaan gebruikt om de eigenschappen van dit “anharmonische” polaron te onderzoeken. De bindingsenergie en de effectieve massa van het nieuwe polaron wordt berekend met de Greense functie methode en met het padintegraalformalisme. Er wordt met beide methodes aangetoond dat de extra elektron-fonon interactie leidt tot een significante verlaging van de energie, vergeleken met het Fröhlich polaron. Vervolgens wordt de optische conductiviteit van het anharmonische polarongas berekend. Uit de resultaten volgt dat het optische absorptiespectrum een karakteristieke tweede piek vertoont, die kan gebruikt worden als experimentele vingerafdruk om 1-elektron-2-fonon koppeling te meten. Tenslotte onderzoeken we de mogelijkheid van bipolaronvorming binnen dit nieuwe polaronmodel. Binnen het Fröhlich model zijn bipolaronen enkel stabiel boven een kritische waarde van de elektron-fonon koppelingsconstante. Wanneer 1-elektron-2-fonon koppeling wordt geïntroduceerd verlaagt deze kritische waarde, waardoor het gebied waar bipolaronvorming mogelijk is groter wordt.

Plasma kinetics modelling of nitrogen fixation - Ammonia synthesis in dielectric barrier discharges with catalysts - Kevin van 't Veer (10/05/2022)

Kevin van 't Veer

  • 10/05/2022
  • 14.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.01
  • Promotoren: Annemie Bogaerts & François Reniers
  • Departement Chemie


Abstract

De synthese van ammoniak (NH3) is cruciaal voor de productie van kunstmest en vindt plaats via het Haber-Bosch proces. Met een energieverbruik van 30 GJ/t-NH3 en de uitstoot van 2 kg-CO2/kg-NH3 is ammoniak de chemische stof met de grootste ecologische voetafdruk. Haber-Bosch werkt onder hoge druk en hoge temperatuur. Plasmatechnologie heeft potentieel voor groenere ammoniakproductie. Diëlektrische barrièreontladingen zijn een populaire plasmabron waarin gemakkelijk een katalysator kan worden gebruikt. De combinatie van plasma en katalysator kan de reactieomstandigheden van het Haber-Bosch proces omzeilen.

Plasmakinetiek modellering wordt gebruikt om inzicht te krijgen in de mechanismen van dergelijke plasma-katalytische systemen. Speciale aandacht wordt besteed aan het ogenblikkelijk vermogen dat door de elektronen wordt opgenomen, de relevante fractie van de microontladingen en de ontladingsvolumes.

Het belang van vibrationele excitatie werd onderzocht. Afhankelijk van de exacte ontladingscondities werd gevonden dat zowel de sterke microontladingen als de vibrationele excitatie tegelijkertijd van belang kunnen zijn voor de ammoniakopbrengst.

Het tijdsafhankelijke gedrag van de filamentaire ontladingen werd expliciet in rekening genomen. Ammoniak bleek tijdens de microontladingen afgebroken te worden als gevolg van dissociatie via elektronenimpact. Tegelijkertijd worden atomaire stikstof en andere geëxciteerde soorten gecreëerd. Die reactieve soorten recombineren buiten de microontladingen tot ammoniak via verschillende elementaire Eley-Rideal en Langmuir-Hinshelwood oppervlaktereacties met een netto ammoniakwinst.

Ten slotte werd het concept van de fractie van microontladingen veralgemeend. Het geeft direct de efficiëntie weer waarmee het aangelegde elektrische vermogen wordt overgebracht naar elk afzonderlijk deeltje in de plasmareactor. Er wordt gesteld dat elke vorm van ruimtelijke of tijdsafhankelijke niet-uniformiteit van het plasma een ongelijke behandeling van de gasmoleculen in de reactor zal veroorzaken, wat overeenkomt met een lagere efficiëntie waarmee het vermogen wordt overgedragen aan de gasmoleculen.

Al deze inzichten helpen bij een beter begrip van plasma-katalytische ammoniaksynthese als een potentiële groene oplossing voor de synthese van ammoniak op kleine schaal.


Purple bacteria cultivation on light, carbon dioxide and hydrogen gas: Exploring and tuning the potential for microbial food production - Janne Spanoghe (05/05/2022)

Janne Spanoghe

  • 05/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Gebouw Q, Promotiezaal Q0.02
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotor: Siegfried Vlaeminck
  • Departement Bio-ingenieurswetenschappen


Abstract

The human population is projected to grow to 9.7 billion by 2050, resulting in an estimated increase in protein demand of 50%. From an environmental perspective, the current and future demand of protein cannot be sustainably met as the conventional food production chain is severely altering biogeochemical cycles of nitrogen and phosphorus, biodiversity and land-use, with flows towards the biosphere and oceans that are exceeding the planetary boundaries. Microbial protein (protein derived from microorganisms) has been suggested as an excellent sustainable protein source, a fortiori when produced in a land- and fossil free manner. The photoautohydrogenotrophic cultivation (i.e. with light, CO2 and H2) of purple bacteria links up perfectly with the upcoming green electrification of industry (green H2) and the need for carbon capture and utilization. However, this metabolism represented a gap in literature, and thus this thesis aimed to establish a basic knowledge platform on its kinetic, stoichiometric and nutritional performance. At first, three originally photoheterotrophically enriched purple bacteria were studied of which Rhodobacter capsulatus reached the highest protein productivity of 0.16 g protein/L/d, which aligned well with the commonly-known photoautotrophic microalgae. Moreover, a full dietary essential amino acid match was found for human food, while the fatty acid content was dominated by the health-stimulating vaccenic acid (82-86%). Lastly, the achieved protein yield in photoautohydrogenotrophic purple bacteria was 2.3 times higher compared to hydrogen oxidizing bacteria, indicating a resource-efficient use of H2. Next, a photoautohydrogenotrophic enrichment of wastewater treatment microbiomes was performed in search for specialist species. While the isolates of this enrichment showed improvements in their performance during acclimation, the kinetic and nutritional performance of Rhodobacter capsulatus still excelled. Subsequently, the influence of nutrient limitations (C or N) and nitrogen gas fixation was studied on the nutritional tuning potential. Both the limitations as well as the N2 fixation resulted in the shift of the essential amino acid profiles. Additionally, the limitations significantly decreased the pigment content, while an increase in the storage of poly-P was seen in case of carbon limitations. The next major challenge was the production intensification in a photobioreactor of which the design was linked to minimizing both H2 and light limitations. The chosen bubble-column photobioreactor already resulted in a doubled biomass productivity. Finally, the remaining technological and non-technological challenges ahead for the production of a high-value, cost-efficient, environment-friendly microbial protein that complies with legislative requirements and appeals to future consumers were discussed.



Indifferent hippies: prosociality and inequity aversion as proximate mechanisms of cooperation in bonobos - Jonas Verspeek (27/04/2022)

Jonas Verspeek


Abstract

Cooperation is a key component of social life but seems an evolutionary puzzle as it involves behaviours that benefit others. Because cooperative behaviours involve an immediate cost to the actor, natural selection has produced mechanisms to regulate cooperation to overcome adverse effects of these costs. The main proximate mechanisms that regulate cooperation are prosociality and inequity aversion (IA). In this thesis, I combined behavioural and physiological measures in different experimental paradigms to explain the variability in these proximate mechanisms of cooperation in bonobos (Pan paniscus). Before focusing on prosociality and IA in bonobos, I implemented three methodological studies. First, I investigated the food preference of the bonobos to decide which food items to use in the experimental paradigms. Second, I provided a biological validation for the use of salivary cortisol to measure stress and arousal in bonobos. Third, I investigated whether bonobos prefer to bond with more similar individuals. To study prosociality, I used a novel juice-provisioning experiment, the prosocial choice task and the group service paradigm and showed that the Zoo Planckendael bonobos mainly behaved out of self-interest and, like chimpanzees, behaved indifferently to the welfare of others. This contrasts with the popular image of the prosocial and food sharing bonobo, who is often portrayed as a “hippie of the primate world”. I concluded that this popular image is mainly the result of an age bias in previous experimental studies that looked for evidence of prosociality in bonobos. To study IA in bonobos, I used the standard token exchange task. To complement the standard behavioural measures with the emotional component of IA, I also investigated a behavioural, rough self-scratching, and a physiological measure, salivary cortisol increase, of arousal. The bonobos reacted to receiving less than a partner while they never refused trials when receiving more than a partner. Also, stronger bonded individuals were more tolerant towards inequity. Further, subjects were more aroused when receiving a better reward than a partner, suggesting that bonobos do notice when being favoured but do not respond to it behaviourally. The results of this thesis provide supporting evidence for the nuanced view of the prosocial, food-sharing and tolerant hippie ape. I demonstrated that adult bonobos do not behave prosocially in food-related paradigms, which can be explained by the competitive nature around the highly preferred food items, and which corresponds to the food-related behaviour of bonobos in the wild.




Singlet Oxygen-based Photoelectrochemical Detection of Phenolic Contaminants - Liselotte Neven (30/03/2022)

Liselotte Neven

  • 30/03/2022
  • 10.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.01
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Karolien De Wael & Sabine Van Doorslaer
  • Departement Chemie


Abstract

Phenolic compounds can be found everywhere in our daily lives but exhibit high toxicity, low (bio)degradability and hormone-disrupting effects when they are released in the environment. It is for this reason imperative to develop detection strategies for these pollutants. A promising approach involves the use of a photoelectrochemical (PEC) sensor. In this sensor, a photosensitiser (PS) type II, which generates 1O2 under illumination, is used to oxidise phenolic compounds present in the sample. The oxidised phenols are reduced at the electrode surface leading to the generation of an electrocatalytic redox cycle.

In this thesis, an in-depth understanding, through the identification of the reactive oxygen species (ROS) in the PEC sensing mechanism, is obtained. The detection strategy is optimised by choosing the PS with the highest 1O2 production and by optimising the detection parameters so that the PEC sensor can be successfully applied for the detection of phenols in industrial samples.

First, it was determined that the use of highly fluorinated zinc phthalocyanine derivatives, F52PcZn and F64PcZn, as photocatalysts was optimal for the sensing of phenol due to their high 1O2 production and improved single-site isolation. However, next to 1O2, it was shown that the ROS O2•- and H2O2 were also generated in the PEC sensor. Their contribution to the photocurrent response was studied by rotating disk electrode measurements in function of the pH and applied potential. After this, the PEC detection strategy was optimised in terms of pH and applied potential for the detection of doxycycline, cefadroxil, and phenol. It was found that the use of alkaline pH-levels led to nmol L-1-level detection limits. The combination with square wave voltammetry (SWV) was, also, proposed to allow the quantification and identification of phenolic compounds in a specific sample. At last, the developed PEC and SWV sensors were applied for the measurement of phenolic compounds in industrial water samples. The PEC sensor could follow the decrease of the phenolic concentration throughout the wastewater treatment process while the SWV sensor provided the electrochemical fingerprints of these samples. The thesis concluded that the use of the PEC sensor was advantageous in the measurement of lower concentrated phenolic samples due to its high sensitivity and fast measurement time in comparison to commercial test kits.

Resource-efficient nitrogen removal from sewage: kinetic, physical and chemical tools for mainstream partial nitritation/anammox - Michiel Van Tendeloo (28/03/2022)

Michiel Van Tendeloo

  • 28/03/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Stadscampus, Promotiezaal Klooster van de Grauwzusters, gebouw S, Lange Sint-Annastraat 7, 2000 Antwerpen
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotor: Siegfried Vlaeminck
  • Departement Bio-ingenieurswetenschappen


Abstract

Adequate removal of pollutants from sewage is important to protect the environment and public health. Today, sewage treatment plants are operational in many parts of the world, and although the used technologies are effective in removing pollutants from wastewater, they are energy- and resource-intensive. Reshaping sewage treatment into a two-stage system, with separated organic carbon and nitrogen removal, facilitates the transformation towards energy-positive sewage treatment. This thesis will focus on resource-efficient nitrogen removal from sewage via partial nitritation/anammox (PN/A), with reduced organic carbon and oxygen consumption compared to conventional techniques.

PN/A relies on the teamwork between two microbial groups to convert ammonium into nitrogen gas. Several other groups of microbes however can proliferate in the sludge, competing for substrate with the key players, lowering the nitrogen removal efficiency and increasing the energy demand. To obtain the desired microbial community, control tools should be applied to selectively promote the desired microbes while suppressing the unwanted competitors. In this thesis, multiple control tools were studied to establish a workable framework for successful implementation of PN/A in the main stream of a sewage treatment plant. These tools can be divided into three categories: i) kinetic tools, regulating substrate availability (e.g., oxygen availability control and residual ammonium concentration), ii) physical tools, revolving around sludge retention and selection (e.g., sludge age control and sludge aggregation form), and iii) chemical tools, exposing the sludge to stress conditions for which the unwanted microbes are vulnerable (e.g., sludge treatments with a single stressor such as free ammonia).

The first research chapter focussed on oxygen availability control and single-stressor sludge treatments. The following two chapters covered the development of a novel multi-stressor concept combining substrate starvation and exposure to sulphide and free ammonia. In the final research chapter, the previously obtained knowledge was combined into a demonstration study on pilot-scale.

The combination of these control tools was found effective in achieving nitrogen removal via PN/A, both on lab- and pilot-scale. Consequently, the obtained results in this thesis can catalyse the implementation of mainstream PN/A by providing a toolbox with multiple control tools and clever reactor design, thus advancing the concept of energy neutrality and resource efficiency in sewage treatment plants.

Copper-based Critical Raw Material-free Three-way catalysts - Tim Van Everbroeck (28/03/2022)

Tim Van Everbroeck


Abstract

Één van de grootste problemen van auto’s met een benzinemotor is dat de uitlaatgassen verontreinigende stoffen bevat die schadelijk zijn voor de gezondheid van mensen en voor het milieu. Om deze reden zijn auto’s uitgerust met een driewegkatalysator die de functie heeft om koolstofmonoxide, koolwaterstoffen en stikstofoxiden om te zetten naar moleculen die niet ongezond zijn. De materialen die hiervoor gebruikt worden zijn de platinagroep metalen (PGMs), die zeer zeldzame, dure, kritieke grondstoffen zijn. De toenemende vraag naar nieuwe auto’s en de steeds strikter wordende emissie standaarden drijven de prijs steeds hoger. Dus er is nood aan een vermindering van de hoeveelheid PGMs in driewegkatalysatoren en de vervanging door grondstoffen die goedkoper en veel voorkomend zijn. Een goede kandidaat daarvoor is koperoxide (CuO) omdat dit veel voorkomend is en enige katalytische activiteit vertoont. Terwijl het niet zo actief is als de PGMs kan het gebruikt worden in veel grotere hoeveelheden ter compensatie. Om de CuO deeltjes klein te houden, wat efficiënter is, moeten ze worden afgezet op een dragermateriaal met een grote oppervlakte. Verder kan de katalytische activiteit beïnvloed worden door interacties met andere materialen. Voor deze thesis werd CuO afgezet op verschillende dragermaterialen zoals alumina, titania en ceria. De katalytische prestaties worden afgetoetst tegenover de eigenschappen van het materiaal. Een ander deel van het research spitst zich toe op de precipitatie van koper met andere elementen om op deze manier intieme mengsels van metaaloxiden te bekomen. Op het einde van de thesis worden de conclusies gepresenteerd en worden de ontwikkelde materialen vergeleken met de commerciële driewegkatalysator. Verder worden de beperkingen van dit onderzoek en de vooruitzichten voor de auto-industrie bediscussieerd en hoe de ontwikkelde materialen daar een rol in kunnen spelen.

Enhancing quality of service delivery with software-defined network slicing in IEEE 802.11 networks - Pedro Heleno Isolani (25/03/2022)

Pedro Heleno Isolani

  • 25/03/2022
  • 15.00 uur
  • Locatie: Stadscampus, Promotiezaal Klooster van de Grauwzusters, Gebouw S, Lange Sint-Annastraat 7, 2000 Antwerpen
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Steven Latré, Johann M. Marquez-Barja & Lisandro Z. Granville
  • Departement Informatica


Abstract

Over the years, wireless technologies have enabled innovation in the industry and leveraged social and economic changes. With the so-called Industry 4.0, future digital industries are moving towards the distributed organization of production, with connected goods, low energy processes, collaborative robots, and integrated manufacturing and logistics. 5G is expected to guarantee stringent Quality of Service (QoS) delivery and for that to happen, the proper employment of wireless Medium Access Control (MAC) protocols is essential for efficient and reliable wireless communication. In indoor scenarios, given its low cost and easy deployment, IEEE 802.11 networks are still the default access choice. Among such stringent and heterogeneous requirements, network slicing is envisioned as the architecture to carve out multiple virtual networks with significantly different performance, security, and traffic isolation characteristics from a common physical infrastructure. However, deciding how to efficiently allocate, control, and manage users and slices remains challenging. Besides, although Software-Defined Networking (SDN) has enabled new levels of innovation and automation for the creation of Resource Allocation (RA) mechanisms, latency-related metrics are often neglected. In this thesis, we analyze the evolution and programmability of wireless MAC protocols and present the questions that should be answered to determine the MAC programmability needed. With our lessons learned, we identify the challenges and opportunities for future-proof MAC designs. Next, we propose an airtime-based slice orchestration approach and RA modeling for IEEE 802.11 Radio Access Network (RAN). By orchestrating airtime portions at the IEEE 802.11 upper MAC layer, we show how our network slicing algorithm can enhance the QoS at the RAN. We present our airtime-based RA modeling for network slicing in IEEE 802.11 RAN and the limitations of performing such optimizations at runtime. To support 5G Mission-Critical Applications (MCAs), we propose a delay-aware approach for MAC management via airtime-based network slicing and traffic shaping, as well as user association using Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA). Through experimentation in a real-world testbed, our approach maintains the queueing delay requirements of 5ms under varying traffic demands and for most of the experiments run. Last, we provide a complete Software-Defined-RAN interactive management approach using In-band Network Telemetry (INT) in IEEE 802.11 networks. With INT, the end-to-end flow dynamics, state of the wireless links, and per-hop reliability can be fully assessed.

Biological Data Mining: from Interestingness Measure to Deep Learning - Danh Bui-Thi (17/03/2022)

Danh Bui-Thi


Abstract

Biological data mining has been an active research area in bioinformatics in recent years. It is expected to unlock a new stage of biomedical research by discovering knowledge from the huge amount of available biological data using computational methods. This knowledge will generate novel insights into the mechanisms of biological systems. Furthermore, it will support the design of new drugs and development of improved solutions for informed clinical decision making.

In this dissertation, we present machine learning techniques for mining interesting patterns and useful knowledge from biological data for several case studies. More specifically, the dissertation elaborates on the following three problems: mining unexpected patterns from transaction data, building associative classifiers based on association rule mining and identifying compound-protein interactions using deep neural networks. The first problem focuses on finding unexpected patterns from data. These patterns identify a failing in prior knowledge or may suggest an aspect of data that deserves further investigation. We propose a novel approach based on association rule mining along with a clustering algorithm to discover the unexpected patterns. The second problem concerns mining reliable patterns, constructing an interpretable classification model which can be understood. Interpretability of machine learning models is critical in several domains with significant social or financial impact such as healthcare, disease diagnosis. The proposed classification model is a rule list, making a single prediction based on multiple rules. We built the model using association rule mining and multi-objective optimization. The last problem we investigated concerns the problem of compound-protein interaction prediction. Identifying interactions between compounds and proteins is an essential task in drug discovery and development. Such prediction tools can be used to screen compound libraries for given protein targets to achieve desired effects or in testing given compounds against possible off-target proteins to avoid undesired effects. To tackle the problem, we developed a novel approach combining a graph convolutional network and a one-dimensional convolutional neural network. These neural networks encode the data objects, i.e. the compounds or proteins, into intermediate representations which are then used to predict the interaction. We also applied an explanation technique to visualize the contributions of the protein regions on the prediction outcome.

We conclude with an overview of our main contributions as well as a discussion of potential future actions that can be taken to improve our proposed methods.

Hyperbolic singularities in the presence of S1−actions and Hamiltonian PDEs - Yannick Gullentops (16/03/2022)

Yannick Gullentops


Abstract

Hamiltonian systems are dynamical systems which have at least one conservation law. These systems are of particular interest because they allow us to use geometric tools to obtain dynamical results. This thesis focuses on two distinct types of Hamiltonian systems: proper S1−systems and Hamiltonian PDEs.

Proper S1−systems are Hamiltonian systems on four dimensional manifolds, where we have two conservation laws one of which is a proper map inducing an S1−action. The presence of the S1−action allows us to link the minimal period (dynamical feature) of that S1−action to the local shape of hyperbolic fibers (topological feature). This allows us to establish a one-to-one correspondence between the topology of hyperbolic fibers and a graph theoretical construction, called a generalized bouquet. After the theoretical classification of hyperbolic fibers we focus on explicit examples. We study the bifurcation behaviour of a family of proper S1−systems and discuss what happens locally around hyperbolic fibers.

For the investigation of Hamiltonian PDEs, we start with a ‘triholomorphic’ Dirac-type equation, called the Cauchy-Riemann-Fueter equation, on a so-called hyperkähler manifold that can be transformed into a Hamiltonian PDE. Then, we discuss scale manifolds as preferred underlying function space for the study this equation. Finally, we describe the problems concerning convergence behaviour.

The relevance of environmental quality standards for biota in the evaluation of the ecological quality of aquatic ecosystems - Lies Teunen (15/03/2022)

Lies Teunen

  • 15/03/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Q.002
  • ​​Verplichte registratie via deze link
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Lieven Bervoets & Ronny Blust
  • Departement Biologie
  • Het dragen van een mondmasker is verplicht tijdens de verdediging
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om de verdediging te kunnen bijwonen


Abstract

Chemische verontreiniging in het aquatisch milieu, voornamelijk van antropogene oorsprong, is een globaal probleem. Een specifieke groep van persistente polluenten met uitgesproken hydrofobe/lipofiele kenmerken heeft de neiging tot biomagnificatie (d.w.z. het bereiken van hoge concentraties in hogere trofische niveaus) en een lage detectiegraad in watermonsters. Daarom zijn binnen de kaderrichtlijn Water milieukwaliteitsnormen afgeleid voor 11 prioritaire verbindingen en hun derivaten. Deze moeten specifiek in biota worden gemeten (MKNbiota), om het risico van secundaire vergiftiging van toppredatoren (waaronder de mens) te beoordelen, en omvatten hexachloorbenzeen (HCB), hexachloorbutadieen (HCBD), kwik (Hg), gebromineerde difenylethers (PBDE), perfluoroctaansulfonaat (PFOS), hexabroomcyclododecaan (HBCD), dicofol, dioxinen en dioxineachtige verbindingen, heptachloor en heptachloorepoxide, fluorantheen en benzo(a)pyreen.

In dit doctoraat werd de relevantie van de huidige MKNbiota met betrekking tot de ecologische kwaliteit van aquatische zoetwater- en brakke ecosystemen geëvalueerd. De studie werd opgebouwd rond de MKNbiota-monitoring in Vlaanderen op 44 bemonsteringslocaties. Bovengenoemde verbindingen en PCB's werden geanalyseerd in inheemse Europese baars (Perca fluviatilis) en paling (Anguilla anguilla) in zijn juveniele "gele paling"-stadium. Benzo(a)pyreen en fluorantheen werden echter geanalyseerd in blootgestelde mosselen vanwege de snelle metabolisatie van deze stoffen in vis. De geaccumuleerde concentraties werden getoetst aan de geldende normen en vergeleken met de gegevens van passieve samplers. De belangrijkste motivatie voor dit doctoraat was dat, ondanks frequente overschrijdingen van sommige MKNbiota (vaak met een grote factor), in de literatuur geen duidelijke effecten op het aquatische ecosysteem (inclusief secundaire vergiftiging) worden gerapporteerd.

Vervolgens werden twee casestudies uitgevoerd over accumulatiepatronen van Hg en PFAS. In tegenstelling tot de andere (lipofiele) verbindingen vertonen zij een hoge affiniteit voor eiwitten. Voor Hg werd de accumulatie in spier- en leverweefsel vergeleken tussen de twee vissoorten en gekoppeld aan de grootte (als proxy voor leeftijd). PFAS-profielen werden vergeleken tussen mosselen en vissen, waardoor trofische transfer bekeken kon worden. Bovendien werden de effecten van omgevingsconcentraties (in water en sediment) en abiotische kenmerken op de biogeaccumuleerde concentraties onderzocht. Tenslotte werd de ecologische relevantie van de MKNbiota voor de ecologische kwaliteit, gebaseerd op de macro-invertebratengemeenschap, bestudeerd. Het risico voor de menselijke gezondheid werd eveneens voor alle verbindingen bepaald.

Tenslotte werden resultaten de resultaten voor normoverschrijding, het humane gezondheidsrisico en de ecologische relevantie gecombineerd om de algemene relevantie en het beschermingsniveau van de huidige milieunormen te interpreteren. Deze resultaten vormen een eerste belangrijke indicatie voor de noodzaak om de normen voor specifieke verbindingen te herzien.


Applying Machine Learning in Business Process Monitoring - Stephen Pauwels (25/02/2022)

Stephen Pauwels


Abstract

In our highly automated world, where manufacturing processes are often performed by autonomous robots, the need for describing and checking these ongoing processes is high. The field of Business Process Monitoring tries to monitor running executions of tasks and tries to indicate possible bottlenecks or errors. In this thesis, we look at predicting next events, detecting anomalies, and detecting concept drift in an event log.

We introduce the use of Dynamic Bayesian Networks as a model for monitoring business processes. We extend this model to describe the typical behavior found in these event logs. We show the use of our model for predicting the next events, given a partially completed case in an event log. We then expand the model further to detect anomalies or deviations from the original process. One of the advantages of our Bayesian Network-based approach is its explainability. The impact of taking measures to deal with a predicted anomaly might be high, therefore people need to trust the model before they will take action to correct the running process. We show how we can use this explainability to explain drifts and differences in event logs after the model has identified them.

Predictive Monitoring techniques are proposed in a static situation, where the data used for training and testing is fixed. This leads to using models that are no longer up-to-date for predicting new activities. We propose various strategies for updating existing models while new events arrive. We do this by first using these events for testing our model, and then adding them to the training set which is used to update the model. To allow for quick training times we propose the use of a simple neural network, consisting mainly of a single dense layer. We show that this network performs on par with existing methods with higher complexity.

We also look at how evaluations for next activity prediction are performed in the literature. We show some dangerous practices where results are being copied from papers, resulting in comparisons that are based on different datasets. As we show that small changes to the data can lead to different results. We propose some basic guidelines to improve the reproducibility of next activity prediction methods.

Computational anatomy strategies for characterization of brain patterns associated with Alzheimer's disease - Diana Lorena Giraldo Franco (18/02/2022)

Diana Lorena Giraldo Franco


Abstract

Alzheimer's disease (AD) is one of the most complex systematic malfunctions of the nervous system that are known. The clinical symptoms of this neurodegenerative disease are alterations in cognition and behaviour that can lead to the onset of a dementia syndrome. Disease mechanisms that lead to neurodegeneration and cognitive impairment in sporadic AD are not well understood yet, making it difficult to predict the clinical progression of patients at the early stages of the AD continuum. Currently, no single biomarker or exam is sufficient to diagnose AD and existing standard instruments are not sensitive enough to detect subtle changes, predict the clinical course, and recognize heterogeneous forms of AD. This thesis presents two computational anatomy strategies aiming to identify and quantify neurodegeneration patterns associated with different clinical stages along the AD continuum using two different modalities of magnetic resonance imaging. A third contribution consists of a data-driven strategy to develop a set of domain-specific scores that result useful to estimate the risk of and predict the progression from mild cognitive impairment to dementia. Evaluation of these strategies with machine-learning and statistical inference methods demonstrate the potential of the proposed quantitative tools to help patients' clinical management and monitoring and could be used to improve the evaluation of potential disease-modifying interventions.


Development of Sustainable Catalytic Methods: Aza-Cope Rearrangement of Homoallylamines and Thiosulfonylation of Alkenes - Karthik Gadde (02/02/2022)

Karthik Gadde


Abstract

Bij de synthese van organische verbindingen wordt vaak gebruik gemaakt van dure, niet-hernieuwbare en giftige reagentia/reactanten, katalysatoren of oplosmiddelen. De vervanging hiervan door goedkope, eenvoudig beschikbare alternatieven met een beperkte milieuimpact is dan ook een grote uitdaging. Het onderzoek van dit doctoraatsproefschrift is gericht op de ontwikkeling van nieuwe duurzame methodologieën voor de synthese van α-gesubstitueerde homoallylaminen door middel van een 2-aza-Cope omlegging en een verdere functionalisering via fotokatalyse met zichtbaar licht.

α-Gesubstitueerde homoallylaminen zijn waardevolle synthetische bouwstenen en precursoren voor de synthese van stikstofbevattende heterocyclische verbindingen, natuurproducten en farmaceutische verbindingen. In dit doctoraatsonderzoek werd een metaalvrije of onedel metaal-gekatalyseerde 2-aza-Cope omleggingsstrategie ontwikkeld voor de synthese van α-gesubstitueerde homoallylaminen door gebruik te maken van gemakkelijk toegankelijke aldehyden en 1,1-difenylhomoallylaminen.

Alkenen zijn een van de meest fundamentele functionele groepen in de organische chemie en worden vaak afgeleid van eenvoudige chemische grondstoffen. In de afgelopen decennia heeft de functionalisering van alkenen enorme aandacht getrokken, vooral strategieën om functionaliseringen op een anti-Markovnikov-manier te bereiken waren de focus van fundamenteel onderzoek. De installatie van sulfonyl (R1SO2-) en sulfenyl (R2S−)-groepen is specifiek van belang omdat ze een structurele entiteit vormen van natuurproducten, bioactieve moleculen en geneesmiddelen. Bovendien zijn sulfonyl en sulfenyl groepen aantrekkelijk in de organische synthese omdat ze gemakkelijk kunnen worden omgezet in andere functionele groepen. Directe functionaliseringsmethoden van alkenen, die het mogelijk maken om twee verschillende groepen in een enkele reactiestap te introduceren, zoals de thiosulfonylering, zijn daarom zeer gewenst. In dit proefschrift werd een metaalvrije methodologie ontwikkeld voor de vicinale thiosulfonylering van niet-geactiveerde alkenen door gebruik te maken van thiosulfonaten als reactant en het acridiniumzout 9-mesityl-10-methylacridiniumperchloraat als foto-organokatalysator met bestraling met zichtbaar licht. Om de synthetische relevantie van de ontwikkelde methode te illustreren, werd deze toegepast op homoallylaminen en alkenen in het actieve bestanddeel van geneesmiddelen.

Unraveling the coupled large-scale suspended sediment and phytoplankton dynamics in a turbid and tide-dominated estuary - Dante Horemans (12/01/2022)

Dante Horemans


Abstract

Estuaria vertonen regelmatig regio's waarin gesuspendeerd sediment (SPM) en fytoplankton accumuleert. Voor het beheer van het estuarium is het belangrijk om de locaties van dergelijke regio's te voorspellen en de bijhorende magnitude van de concentraties; zo kan men immers voorkomen dat het systeem evolueert naar een hypertroebele toestand, waarin fytoplankton, dat de basis vormt van de voedselketen, zeer gelimiteerd is.

Om de locatie te voorspellen waar SPM en fytoplankton accumuleert en de bijhorende concentraties dient het verband tussen SPM en fytoplankton begrepen te worden. Aan de ene kan limiteert SPM de fytoplankton groei door het lichtklimaat te verslechteren en daarmee de fotosynthese te bemoeilijken. Aan de andere kant kan fytoplankton de SPM-concentratie bepalen door bijvoorbeeld de uitscheiding van plakkerige substanties. Deze substanties bepalen immers via het vlokvormingsproces de valsnelheid en dynamiek van SPM vlokken. Daarbovenop kunnen ze de bodem stabiliseren en zo de erosie eigenschappen aanpassen, wat ook de SPM concentratie kan beïnvloeden. Terwijl de meeste literatuur focust op de impact van biologische flocculanten op kleine schaal, is de invloed op grote spatiale en temporele schaal nog voornamelijk onbekend terrein. In deze thesis bestuderen we het verband tussen SPM en fytoplankton op grotere temporele en spatiale schaal, toegepast op een troebel, getijde-gedomineerd en nutriëntrijk estuarium, zijnde het Schelde estuarium. Om dit te bekomen combineren we een model aanpak en analyse van meerjaarlijkse observaties die het gehele domein van het Schelde estuarium omvatten.

Ten eerste breiden we een hydro-sediment transport model uit met een vlokvormingsmodel en tonen we aan dat vlokvorming een belangrijke impact kan hebben op de SPM-verdeling op estuariene schaal. Vervolgens gebruiken we het model om aan te tonen dat biotische-geïnduceerde seizoenaliteit in vlokvorming en erosie slechts een beperkte impact heeft op seizoenaliteit in SPM op estuariene schaal. Seizoenaliteit in rivierafvoer verklaart grotendeels de geobserveerde seizoenaliteit in de SPM-verdeling. Vervolgens stellen we een conceptueel model op dat aantoont dat temporale variabiliteit in het lichtklimaat (cf. SPM) de tijdsgemiddelde PP en fytoplankton in exponentiële groei drastisch kan verlagen, en fytoplankton bloei met twee weken kan uitstellen. Ten slotte combineren we al onze eerdere resultaten om aan te tonen dat een meerjaarlijkse verandering in mortaliteit van fytoplankton, en niet enkel SPM, de geobserveerde meerjaarlijkse evolutie in de voorjaarsbloei van fytoplankton in het Schelde estuarium kan verklaren. De toepassing van onze modelaanpak is niet beperkt tot het Schelde estuarium. Het model kan ook toegepast worden op andere troebele getijde-gedomineerde en nutriëntrijke estuaria.

Investigating microbial therapies to combat gut microbiome dysbiosis during pelvic irradiation - Charlotte Segers (10/01/2022)

Charlotte Segers


Abstract

Pelvic cancers are amongst the most frequently diagnosed cancers worldwide. Patients undergoing pelvic radiotherapy often report a wide diversity of complications, which reduce patients’ quality of life. Currently, there are no effective therapies available to mitigate these injuries, which is partly due to a lack of insight into the events causing intestinal mucositis and dysbiosis. Apart from traditional pharmacological compounds, there is a need for research on adjuvant therapies.

This PhD explored the potential of Limnospira indica PCC8005 as innovative treatment strategy for pelvic irradiation-induced mucositis and dysbiosis, in comparison to probiotic Lacticaseibacillus rhamnosus GG ATCC53103.

To achieve this, first, an in vivo irradiation-gut-microbiome model was developed. Herein, the structural and functional impact of pelvic irradiation on the intestinal ecology of healthy mice was characterized so that side effects encountered by patients following pelvic radiotherapy were mimicked. Pelvic irradiation evoked structural and functional changes in the intestine, which secondarily resulted in a microbiome shift. Members of Ruminococcacceae, Lachnospiraceae and Porphyromonodaceae were differentially impacted and identified as biomarkers for pelvic irradiation.

Subsequently, unprocessed, fresh biomass of L. indica PCC8005 or L. rhamnosus GG were investigated for their effect on the gut microbiome of healthy mice. Both appeared to transiently shift the microbial community, characterized by a higher relative abundance of butyrate-producing members of the Lachnospiraceae and Porphyromonadaceae families, respectively. This could indicate a potential for both supplements to sustain or restore the intestinal ecology following pelvic irradiation-induced intestinal mucositis.

Therefore, a randomized, placebo-controlled preclinical trial was set up in which daily supplementation with fresh L. indica PCC8005 and L. rhamnosus GG before and after pelvic irradiation was investigated in our in vivo irradiation-gut-microbiome model. They were evaluated for their radioprotective effects on the intestinal ecosystem. Although both could not confer barrier protection, L. rhamnosus GG was attributed some anti-inflammatory capacities by partly reducing mucosal myeloperoxidase levels. In addition, L. rhamnosus GG appeared more effective in preventing pelvic irradiation-induced dysbiosis when compared to L. indica PCC8005.

In conclusion, this PhD contributed to a better understanding of the pathogenesis of pelvic irradiation-induced mucositis and dysbiosis. Furthermore, we obtained insights in the capacity of Lacticaseibacillus rhamnosus GG ATCC53103, and to a lesser extent Limnospira indica PCC8005, to grant radioprotection. This work thus provides evidence to further explore the potential of both food supplements as a mitigator counteracting pelvic irradiation-induced intestinal mucositis and resultant dysbiosis.