This working paper examines the concept of metabolism and its potential as a critical analytical lens to study the contemporary city from a political perspective. The paper illustrates how the metabolism concept has been used historically, both as a metaphor to describe the technological, social, political and economic dimensions of human-environment relations, and as a concrete analytical tool to quantify and better understand how flows of matter and energy shape the territorial and spatial configurations of cityscapes. Drawing on the example of the urban water metabolism of the Greater Accra Metropolitan Area (GAMA), it is argued that contemporary approaches to metabolic analysis should be extended in two ways to increase the integrative potential of the urban water metabolism concept. On the one hand, the paper demonstrates that a political ecology approach is particularly well-suited to illuminate the contested production of urban environments and move beyond a narrow technical, managerial and state- centric focus in research on urban metabolic relations. On the other hand, the paper advocates for an approach to metabolic analysis that views the urban environment not simply as a relatively static exteriority that is produced by dynamic flows of matter, energy and information, but rather as a dynamic, nested and co-evolutionary network of complex biosocial and material relations, which in itself shapes how various metabolisms interact across scales. The paper then concludes by briefly discussing how a combination of metabolic analysis and political ecology research can inform urban water governance. In sum, the paper emphasizes the need for metabolic analysis to remain open to a plurality of different knowledge forms and perspectives, and to remain attentive to the inherently political nature of material and technological phenomena in order to allow for mutually beneficial exchanges between various scholarly communities.

In a first step, this paper analyses the emergence of the UN Sustainable Development Goals (SDGs) as new global development framework with regard to key actors, social learning cycles, innovation platforms, fundamental policy changes and transition dynamics towards sustainability. In a second step, it traces the convolution of social, political and environmental dimensions, social power relations and governance paradigms embedded in the drafting process and final framework of the water related SDG 6. This research concludes that the SDGs induced important paradigm and policy changes in addition to rearranging existing power relations.

In the first overview lecture, we take a look at conceptualizations of water – from the hydrological cycle to socio-political perspectives on water. During the 20th century, water management developed from traditional uses and local industrial schemes to the “hydraulic paradigm” and finally, to the concept of modern water governance at the turn of the millennium. We will raise the question of whether there has truly been a paradigm shift from the natural, science based hydraulic paradigm to water governance and how dual- isms of culture/society and nature are still being reproduced. With this in mind, we will also take an introductory look at the much talked about global water crisis.

This literature review was conducted to identify important wetlands in the Greater Accra Region and to illustrate dominant research trends, prevailing perspectives and corresponding research gaps. Six wetlands systems were identified as most significant lagoon systems, namely the Densu Delta, Sakumo, Muni-Pomadze, Keta, Korle and Songor Lagoons. Research foci for each of the respective wetlands were extrapolated and summarized in a category system. The frequency of different categories illustrates that natural science’s perspectives dominate, as most of Accra’s lagoons have been studied with regard to their ecological, physical and chemical properties. The development of research interest over time and focus on ecological baseline conditions are related to the designation of Ramsar Sites and orientation of national policies towards environmental protection. A research gap was identified, as studies link their findings to human activities but neglect the connection between governance variables and environmental developments. It is suggested to expand the natural science’s perspective on Accra’s wetlands to account for social and political aspects in order to develop a holistic and more sustainable management strategy.

Global food security poses large challenges to a fast changing human society and has been a key topic for scientists, agriculturist, and policy makers in the 21st century. The United Nation predicts a total world population of 9.15 billion in 2050 and defines the provision of food security as the second major point in the UN Sustainable Development Goals. As the capacities of both, land and water resources, are finite and locally heavily overused, reducing agriculture’s environmental impact while meeting an increasing demand for food of a constantly growing population is one of the greatest challenges of our century. Therefore, a multifaceted solution is required, including approaches using geospatial data to optimize agricultural food production. The availability of precise and up-to-date information on vegetation parameters is mandatory to fulfill the requirements of agricultural applications. Direct field measurements of such vegetation parameters are expensive and time-consuming. On the contrary, remote sensing offers a variety of techniques for a cost-effective and non-destructive retrieval of vegetation parameters. Although not widely used, hyperspectral thermal infrared (TIR) remote sensing has demonstrated being a valuable addition to existing remote sensing techniques for the retrieval of vegetation parameters. This thesis examined the potential of TIR imaging spectroscopy as an important contribution to the growing need of food security. The main scientific question dealt with the extraction of vegetation parameters from imaging TIR spectroscopy. To this end, two studies impressively demonstrated the ability of extracting vegetation related parameters from leaf emissivity spectra: (i) the discrimination of eight plant species based on their emissivity spectra and (ii) the detection of drought stress in potato plants using temperature measures and emissivity spectra. The datasets used in these studies were collected using the Telops Hyper-Cam LW, a novel imaging spectrometer. Since this FTIR spectrometer presents some particularities, special attention was paid on the development of dedicated experimental data acquisition setups and on data processing chains. The latter include data preprocessing and the development of algorithms for extracting precise surface temperatures, reproducible emissivity spectra and, in the end, vegetation parameters. The spectrometer’s versatility allows the collection of airborne imaging spectroscopy datasets. Since the general availability of airborne TIR spectrometers is limited, the preprocessing and data extraction methods are underexplored compared to reflective remote sensing. This counts especially for atmospheric correction (AC) and temperature and emissivity separation (TES) algorithms. Therefore, we implemented a powerful simulation environment for the development of preprocessing algorithms for airborne hyperspectral TIR image data. This simulation tool is designed in a modular way and includes the image data acquisition and processing chain from surface temperature and emissivity to the final at-sensor radiance data. It includes a series of available algorithms for TES, AC as well as combined AC and TES approaches. Using this simulator, one of the most promising algorithms for the preprocessing of airborne TIR data – ARTEMISS – was significantly optimized. The retrieval error of the atmospheric water vapor during the atmospheric characterization was reduced. As a result, this improvement in atmospheric characterization accuracy enhanced the subsequent retrieval of surface temperatures and surface emissivities intensely. Although, the potential of hyperspectral TIR applications in ecology, agriculture, and biodiversity has been impressively demonstrated, a serious contribution to a global provision of food security requires the retrieval of vegetation related parameters with global coverage, high spatial resolution and at high revisit frequencies. Emerging from the findings in this thesis, the spectral configuration of a spaceborne TIR spectrometer concept was developed. The sensors spectral configuration aims at the retrieval of precise land surface temperatures and land surface emissivity spectra. Complemented with additional characteristics, i.e. short revisit times and a high spatial resolution, this sensor potentially allows the retrieval of valuable vegetation parameters needed for agricultural optimizations. The technical feasibility of such a sensor concept underlines the potential contribution to the multifaceted solution required for achieving the challenging goal of guaranteeing global food security in a world of increasing population. In conclusion, thermal remote sensing and more precisely hyperspectral thermal remote sensing has been presented as a valuable technique for a variety of applications contributing to the final goal of a global food security.

Die Dissertation ‚Konzepte von Geschlecht im Porno-Rap. Eine korpus- und genderlinguistische Frame-Analyse‘ befasst sich mit sprachlichen Realisierungen, die Konzepte von Geschlecht (‚Mann‘ und ‚Frau‘) in deutschsprachigen Rapmusik-Texten des sog. ‚Porno-Rap‘ – im Zuge des sog. ‚Gangsta-Rap‘ – herstellen. Grundlegend dabei ist, dass die sprachlichen Realisierungen von Konzepten, die einer linguistischen Analyse zugänglich sind, untrennbar mit kognitiven Konzepten verbunden sind. Aus der Zentralität bestimmter Ausdrücke sowie der ihnen zugeordneten Werte sind analytische Zugänge möglich, die einen Zusammenhang – im Sinne eines Potentials – von sprachlichen und kognitiven Konzepten herstellen. Sprache bildet demnach einerseits Konzepte ab, gestaltet sie jedoch auch grundlegend mit, was auch die Möglichkeit begründet, sie linguistisch zu untersuchen. Mit Frames können Wissensordnungen identifiziert, analysiert und deren Funktion in Verstehensprozessen sowie interpretativen Vorgängen bestimmt werden. Linguistische Ansätze beziehen sich dabei auf kognitionswissenschaftliche Erkenntnisse. Die Erfassung und Beschreibung der Frames und ihrer Wissenselemente von ‚Frau‘ und ‚Mann‘ bieten hierfür zahlreiche detaillierte und differenzierende Vergleichsmöglichkeiten der Geschlechtskonzeptionen. Auf Grundlage der vorhandenen Sprachbasis ist die Frage wesentlich, welcher Art und Strukturiertheit die im Diskurs enthaltenen Werte als Bestandteil der Konzepte für ‚Frau‘ und ‚Mann‘ als sprachliche Realisierung sind, um die Gestalt der Konzepte zu identifizieren, zu deskribieren und damit Aussagen über deren kognitives Potential treffen zu können. Die Konzepte von Geschlecht im untersuchten Rap-Diskurs sind durch die qualitativ-hermeneutische und quantitativ-korpuslinguistische Frame-Analyse offengelegt. Vor diesem Hintergrund werden 236 Texte weiblicher Porno-Rapperinnen und männlicher Porno-Rapper analysiert und damit der Fokus durch die jeweilige Bestimmung eines Selbst- und Fremdbildes bzgl. ‚Mann‘ und ‚Frau‘, als Konzepte für Geschlecht im Diskurs auf den Untersuchungsgegenstand gerichtet. Die Untersuchung der Konzepte von ‚Frau‘ und ‚Mann‘ offenbart drei wesentliche Erkenntnisse: Es besteht erstens eine Struktur der Binarität, die zweitens als ungleichwertige identifiziert ist und drittens konstituierende Wechselbezüge zwischen ‚Mann‘ und ‚Frau‘ belegt. Sprachliche Gewalt und deren Prozesse, die immanenter Teil des ‚Porno-Rap'-Diskurses und in rekurrenter Form nachgewiesen sind (bspw. die Wissenselemente Verletzungsmacht / Verletzungsoffenheit sowie Triebdominanz / Triebgewalt), können potentiell als Gewalt über diesen Kontext hinaus wirken und sich zugleich in das Soziale eines Individuums und/oder eines Kollektivs einschreiben. Ein Bewusstsein über die in dem Diskurs vermittelten Werte (Instanzen im frame-semantischen Sinn) ermöglicht, bestimmten Einstellungen, Denkprozessen und Handlungen kritisch reflexiv zu begegnen – insbesondere im Hinblick auf Konstatierungen linguistischer Sprachkritik, gemäß derer eine Sprachwahl konstitutiv (eine) ‚Wirklichkeit‘ schafft und nicht belanglos ist.

Studien zeigen, dass sowohl die genetische Prädisposition als auch Umweltfaktoren zu häufigen Erkrankungen - wie Schmerzerkrankungen oder psychiatrischen Störungen - beitragen. Molekulargenetische Studien legen nahe, dass ein Teil der Erblichkeit in häufigen genetischen Varianten zu finden ist. Die Untersuchung des Zusammenwirkens dieser Faktoren kann das Verständnis der Ätiologie dieser Erkrankungen erweitern, und neue Präventions- und Behandlungsansätze hervorbringen. In der vorliegenden Arbeit werden vier Studien präsentiert, in denen Umwelt- und genetische Risikofaktoren für psychische Erkrankungen und Schmerz untersucht wurden: In der ersten Studie (Kapitel II) wurden mögliche Wirkmechanismen von etablierten Risikofaktoren für psychiatrische Störungen " das Aufwachsen und Leben in städtischer Umgebung " mit bildgebenden Verfahren untersucht. Einen möglichen Mechanismus stellt der erhöhte soziale Stress in städtischer Umgebung dar. In dieser Studie unterliefen zwei Stichproben von gesunden Probanden zwei verschiedene soziale Stressparadigmen für die Anwendung im fMRT, wovon eines im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelt wurde (ScanSTRESS). Hierbei zeigte sich eine erhöhte Amygdalaaktivität bei Probanden, welche aktuell in der Stadt lebten, während die Aktivität des perigenualen anterioren Cingulums mit dem Aufwachsen in der Stadt assoziiert war. Diese Befunde legen nahe, dass die akute Stressverarbeitung durch Umweltfaktoren in sensiblen Phasen der Entwicklung des Nervensystems beeinflusst wird. In der zweiten Studie (Kapitel III), wurde die Modulierung des Einflusses der städtischen Umwelt auf die Stressverarbeitung durch eine Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP; rs324981) im Gen, welches für den Neuropeptid S (NPS) Rezeptor kodiert (NPSR1), untersucht. In einer Stichprobe, welche das ScanSTRESS-Paradigma absolvierte, konnte gezeigt werden, dass rs324981 " in Interaktion mit städtischem Aufwachsen " die Aktivität der rechten Amygdala beeinflusste. Diese Resultate legen nahe, dass das NPS-System in der menschlichen Stressreaktion involviert ist, und diese in Interaktion mit Umweltfaktoren beeinflusst. In der dritten Studie (Kapitel IV), wurde der Effekt der genetischen Variation von NPSR1 auf die zentralnervöse und endokrine Stressverarbeitung weitergehend untersucht. Da sowohl die Stressregulation, als auch psychiatrische Störungen stark geschlechtsspezifische Ausprägungen aufweisen, wurde die Interaktion von genetischer Variation in NPSR1 mit dem Geschlecht berücksichtigt. Hierfür wurde eine Stichprobe von 277 Probanden mit dem Trierer Sozialen Stresstest (TSST) und eine Stichprobe von 65 Probanden mit dem ScanSTRESS-Paradigma untersucht. Die Analyse zeigte die geschlechtsspezifische Assoziation einer Allel-Kombination (Haplotyp) von drei funktionalen SNPs (rs2530547, rs324981 und rs727162) mit der Cortisolantwort auf den TSST, und einen geschlechtsspezifischen Effekt von rs324981 auf die zentralnervösen Aktivierungsmuster. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Geschlecht die Effekte von genetischer Variation im NPS-System auf die Stressregulation moduliert. In der vierten Studie (Kapitel V), wurde der Einfluss der genetischen Prädisposition und Umweltfaktoren auf chronischen Schmerz nach einer Amputation untersucht. Hierfür wurde eine Studie an 122 Individuen durchgeführt, bei welchen zwei Gliedmaßen amputiert wurden. Das Auftreten und die Intensität von sowohl Phantom- als auch Stumpfschmerzen zeigten einen starken Zusammenhang mit der Ausprägung des selben Schmerztyps zwischen den beiden amputierten Körpergliedern, es waren aber nur moderate Zusammenhänge zwischen den beiden Schmerzarten zu beobachten. Dieses Ergebnis legt den Einfluss von sowohl spezifischen, als auch gemeinsamen (potentiell genetischen) Risikofaktoren für beide Schmerztypen nahe.

The development of our society contributed to increased occurrence of emerging substances (pesticides, pharmaceuticals, personal care products, etc.) in wastewater. Because of their potential hazard on ecosystems and humans, Wastewater Treatment Plants (WWTPs) need to adapt to better remove these compounds. Technology or policy development should however comply with sustainable development, e.g. based on Life Cycle Assessment (LCA) metrics. Nevertheless, the reliability or consistency of LCA results can sometimes be debatable. The main objective of this work was to explore how LCA can better support the implementation of innovative wastewater treatment options, in particular including removal benefits. The method was applied to support solutions for pharmaceuticals elimination from wastewater, regarding: (i) UV technology design, (ii) choice of advanced technology and (iii) centralized or decentralized treatment policy. The assessment approach followed by previous authors based on net impacts calculation seemed very promising to consider both environmental effects induced by treatment plant operation and environmental benefits obtained from pollutants removal. It was therefore applied to compare UV configuration types. LCA outcomes were consistent with degradation kinetics analysis. For the comparison of advanced technologies and policy scenarios, the common practice (net impacts based on EDIP method) was compared to other assessments, to better consider elimination benefits. First, USEtox consensus was applied for the avoided (eco)toxicity impacts, in combination with the recent method ReCiPe for generated impacts. Then, an eco-efficiency indicator (EFI) was developed to weigh the treatment efforts (generated impacts based on EDIP and ReCiPe methods) by the average removal efficiency (overcoming (eco)toxicity uncertainty issues). In total, the four types of comparative assessment showed the same trends: (i) ozonation and activated carbon perform better than UV irradiation, and (ii) no clear advantage distinguished between policy scenarios. It cannot be however concluded that advanced treatment of pharmaceuticals is not necessary because other criteria should be considered (risk assessment, bacterial resistance, etc.) and large uncertainties were embedded in calculations. Indeed, a significant part of this work was dedicated to the discussion of uncertainty and limitations of the LCA outcomes. At the inventory level, it was difficult to model technology operation at development stage. For impact assessment, the newly developed characterization factors for pharmaceuticals (eco)toxicity showed large uncertainties, mainly due to the lack of data and quality for toxicity tests. The use of information made available under REACH framework to develop CFs for detergent ingredients tried to cope with this issue but the benefits were limited due to the mismatch of information between REACH and USEtox method. The highlighted uncertainties were treated with sensitivity analyses to understand their effects on LCA results. This research work finally presents perspectives on the use of transparently generated data (technology inventory and (eco)toxicity factors) and further development of EFI indicator. Also, an accent is made on increasing the reliability of LCA outcomes, in particular through the implementation of advanced techniques for uncertainty management. To conclude, innovative technology/product development (e.g. based on circular economy approach) needs the involvement of all types of actors and the support from sustainability metrics.

The main achievement of this thesis is an analysis of the accuracy of computations with Loader's algorithm for the binomial density. This analysis in later progress of work could be used for a theorem about the numerical accuracy of algorithms that compute rectangle probabilities for scan statistics of a multinomially distributed random variable. An example that shall illustrate the practical use of probabilities for scan statistics is the following, which arises in epidemiology: Let n patients arrive at a clinic in d = 365 days, each of the patients with probability 1/d at each of these d days and all patients independently from each other. The knowledge of the probability, that there exist 3 adjacent days, in which together more than k patients arrive, helps deciding, after observing data, if there is a cluster which we would not suspect to have occurred randomly but for which we suspect there must be a reason. Formally, this epidemiological example can be described by a multinomial model. As multinomially distributed random variables are examples of Markov increments, which is a fact already used implicitly by Corrado (2011) to compute the distribution function of the multinomial maximum, we can use a generalized version of Corrado's Algorithm to compute the probability described in our example. To compute its result, the algorithm for rectangle probabilities for Markov increments always uses transition probabilities of the corresponding Markov Chain. In the multinomial case, the transition probabilities of the corresponding Markov Chain are binomial probabilities. Therefore, we start an analysis of accuracy of Loader's algorithm for the binomial density, which for example the statistical software R uses. With the help of accuracy bounds for the binomial density we would be able to derive accuracy bounds for the computation of rectangle probabilities for scan statistics of multinomially distributed random variables. To figure out how sharp derived accuracy bounds are, in examples these can be compared to rigorous upper bounds and rigorous lower bounds which we obtain by interval-arithmetical computations.

Psychotherapie hat sich in der Behandlung psychischer Störungen als wirksam erwiesen. Im Rahmen der klinisch-psychologischen Forschung und der Psychotherapieforschung sind die Erforschung von Ursachen und Mechanismen psychischer Störungen sowie die Identifikation von Wirkmechanismen von Psychotherapie von zentraler Bedeutung. Wichtiges Element in der Psychotherapie ist die Sprache, sodass die Betrachtung von Sprache bereits sehr früh Eingang in die Forschung fand. Beschäftigten sich frühe Forschungsarbeiten jedoch hauptsächlich mit der sehr zeitaufwendigen qualitativen Auswertung von Sprache, ermöglichen Entwicklungen im Bereich der Computer neue Ansätze wie beispielsweise die quantitative Sprachanalyse mittels Programmen wie dem Linguistic Inquiry and Word Count (LIWC). Dieses wörterbuchbasierte Auswertungsprogramm fand Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen wie beispielsweise der Erforschung von Motiven, Gruppenprozessen, Sprache in sozialen Netzwerken und ersten subklinischen Untersuchungen psychischer Störungen. Eine systematische Anwendung auf die Sprache von Patienten und Therapeuten im Rahmen vollständiger Therapiesitzung ist bislang jedoch nicht bekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb in drei Projekten die Anwendbarkeit des Programmes in der klinisch-psychologischen Forschung und Psychotherapieforschung zu untersuchen. Das erste Projekt beschäftigte sich mit der Psychometrie von mittels LIWC ausgewerteter Sprache und fand, dass die Erkennungsraten des Wörterbuchs für die Sprache in Therapiesitzungen über den in der Literatur für das deutsche LIWC berichteten Erkennungsraten jedoch unter denen der aktuellsten englischen Versionen lag. Außerdem wurde angenommen, dass Sprache sowohl eine zeitlich stabile Komponente im Sinne eines Persönlichkeitsmerkmals als auch eine situative Komponente besitzt. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund relevant in der Psychotherapieforschung sowohl Patientenmerkmale als auch Veränderungen abbilden zu wollen. Die Arbeit ging davon aus, dass insbesondere Funktionsworte, also Worte, die Sprache strukturieren jedoch keine inhaltliche Bedeutung besitzen, eher individuell stabil sind, als Inhaltsworte. Entsprechend konnten für einige Wortkategorien ein Bifaktor-Modell mit einem Personen- sowie einem Zeitfaktor und adäquate Omega-Werte als Maß der Messgenauigkeit gefunden werden, für andere Kategorien zeigte sich dies nicht. Hypothesenkonform zeigten die Modelle bessere Passungen für Funktionsworte. Bezüglich der Frage nach der benötigten Länge von Sprachausschnitten aus Therapiesitzung erwies sich die Verwendung der gesamten Sitzung als beste Lösung. Im zweiten Projekt wurden Unterschiede in der Verwendung von Sprache zwischen depressiven Patienten, Patienten mit Angststörung und solchen mit beiden Störungsbildern untersucht. Es zeigten sich Unterschiede in Bezug auf Worte im Zusammenhang mit Traurigkeit und Worte im Zusammenhang mit Angst. Die Unterschiede zeigten sich derart, dass Depressive vermehrt mit Traurigkeit assoziierte Worte verwendeten, wohingegen Angstpatienten verstärkt Worte aus dem Bereich Angst verwendeten. Dies spricht für eine unterschiedliche inhaltliche Orientierung der beiden Störungsbilder. Darüber hinaus zeigten sich bei dimensionaler Betrachtung negative Zusammenhänge zwischen der Gesamtbelastung und Optimismus, positive Zusammenhänge Depression und Pronomengebrauch sowie negative Zusammenhänge zwischen Angst und unterschiedlichen Kategorien sozialer Worte. Im dritten Projekt wurden unterschiedliche weitere Fragestellungen der Psychotherapieforschung wie beispielsweise die Prädiktion von Therapieerfolgt mittels Sprache oder Zusammenhänge zwischen sprachlicher Synchronizität und der therapeutischen Beziehung untersucht. Es zeigten sich einzelne Zusammenhänge allerdings ergab sich kein einheitliches Muster. Die vorliegende Arbeit kommt zusammenfassend zu dem Schluss, dass quantitative Sprachanalyse eine Bereicherung der Psychotherapieforschung darstellt und Sprache als Datenquelle Berücksichtigung finden sollte. Allerdings bedarf es der Weiterentwicklung des LIWC sowie der Erprobung weiterer Verfahren und eine routinemäßige Erhebung von Sprache wird voraussichtlich erst im Zuge neuerer Entwicklungen im Bereich der automatischen Spracherkennung möglich werden.