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Among all attenuation processes, biodegradation plays one of the most important role and is one of the most desirable processes in the environment. To assess biodegradation, a variety of biodegradation test procedures have been developed by several international organizations. OECD guidelines for ready biodegradability testing represent one of the most prominent group of internationally used screening biodegradation tests (series 301A-F). These tests are usually very simple in their designs and allow for the fast and cheap screening of biodegradability. However, because of their stringency, the test conditions are not close to simulating environmental conditions and may lead to unrealistic results. To overcome these limitations, OECD introduced simulation tests which are designed to investigate the behavior of chemicals in specified environmentally relevant compartments. Despite the fact that simulation tests give more insight into the fate of chemicals in the environment, they are not applied frequently as they are often tedious, time consuming and expensive. Consequently, there is a need to provide a new biodegradation testing method that would combine complex testing environment as in simulation tests, easiness in handling and good data repeatability as in screening biodegradation tests. Another challenge is an adaption of the existing biodegradation testing methods to new types of samples, i.e. mixtures of transformation products (TPs). The research on the presence of pharmaceuticals in the environment gained momentum in the 1990s; since then, it has been growing. Their presence in the environment is a wellestablished fact. A wide range of pharmaceuticals is continuously detected in many environmental compartments such as surface waters, soils, sediments, or ground waters. After pharmaceuticals reach the natural aquatic environment they may undergo a number of processes such as: photolysis (under direct sunlight), hydrolysis, oxidation and reduction reactions, sorption, biodegradation (by bacteria of fungi), and bioaccumulation. These processes, may cause their elimination from aquatic environment, if reaction is complete, or creation of new compounds i.e., transformation products (TPs). What is more, processes, like chlorination and advanced oxidation processes (AOPs), such as H2O2/UV, O3/UV, TiO2/UV, Fenton, and photo-Fenton, or UV treatment which might be applied in water or wastewater treatment, may also lead to the TPs introduction into aquatic environment. The research on the TPs brings many new challenges. From one side, there is a constant need for the the development of a sensitive and reliable analytical separation, detection, and structure elucidation methods. Additionally, there is a need for the preparation of appropriate assays for the investigation of properties of new compounds, especially those answering the question if TPs pose a higher risk to the aquatic ecosystems than their parent compounds. Among numerous groups of pharmaceuticals, two are of great importance: antibiotics since they might promote emergence and maintenance of antimicrobial resistance in the aquatic environment; and cytostatic drugs. Cytostatic drugs can exert carcinogenic, mutagenic and/or teratogenic effects in animals and humans. The challenges of biodegradation testing presented in this thesis, encompasses these different areas of interest and was divided into three objectives: 1) Identification of the knowledge gaps and data distribution of the two groups of pharmaceuticals antibiotics and cytostatic drugs (article I); 2) Increasing the knowledge on biodegradation of cytostatic drugs and their TPs (articles II, III, and IV) and 3) Establishment of a biodegradation test with closer to simulation tests conditions, that could be affordable and to support better understanding on processes in water sediment interface construction - screening water-sediment test. Further validation of the test with an insight into sorption and desorption processes (articles V and VI).
Agrobiodiversität besitzt vielfältigen ökologischen, ökonomischen und sozio-kulturellen Wert. Sie ist eine grundlegende Voraussetzung für zukünftige Nutzungen und steht gleichzeitig in einem besonderen Verhältnis zu menschlichem Handeln. Zwar basiert Agrobiodiversität auf Natur, sie ist jedoch wesentlich durch landwirtschaftliche Tätigkeiten gestaltet worden und kann ohne weitere Nutzung durch den Menschen nicht erhalten und erneuert werden. Die vorliegende Dissertation analysiert die Gestaltung gesellschaftlicher Naturverhältnisse in der ländlichen Entwicklung am Beispiel der nachhaltigen Nutzung von Agrobiodiversität. Schutz und Nutzung von Agrobiodiversität wird hierfür in einem ersten Schritt als sozial-ökologisches Phänomen konzipiert. Daran schließen sich Analysen auf agrarpolitischer und landwirtschaftlich praktischer Ebene an. Anhand einer Analyse der der Gemeinsamen Agrarpolitik der Europäischen Union (GAP) und im speziellen der Politik zur ländlichen Entwicklung wird deutlich, dass eine programmatische Orientierung an Wettbewerbsfähigkeit und einer nachhaltigen Entwicklung besteht und das Paradigma einer multifunktionalen Landwirtschaft integrierende Ansätze bietet. Diese Ansätze werden jedoch weiterhin vor dem Hintergrund einer unhinterfragten Logik realisiert, die davon ausgeht, dass naturerhaltendes Wirtschaften nicht wettbewerbsfähig sein kann. Die GAP löst somit die hierarchische Trennung zwischen Schutz und Nutzung von Agrobiodiversität nicht auf. Trotz der Wirkmächtigkeit der GAP kann mittels der Fallstudie "Arche-Region Flusslandschaft Elbe" an einem konkreten Beispiel aus der landwirtschaftlichen Praxis dargestellt werden, wie nachhaltige Agrobiodiversitätsnutzung umgesetzt wird. Aus den Ergebnissen der Fallstudie werden abschließend Schlussfolgerungen für eine Weiterentwicklung der Politik zur ländlichen Entwicklung und EU-Agrarpolitik im Allgemeinen abgeleitet.
Neben dem Klimawandel und der Verstädterung zählt der Verlust biologischer und kultureller Vielfalt mit unberechenbaren Konsequenzen für die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen zu den größten Herausforderungen der Zukunft, auch in UNESCO-Biosphärenreservaten, die Modellregionen für nachhaltige Entwicklung sind. Deshalb wurden durch die vorliegende Studie erstmalig Ökosystemdienstleistungen im UNESCO-Biosphärenreservat Schaalsee erfasst und bewertet. Dort sind insgesamt 39 Ökosystemdienstleistungen nachzuweisen, wobei räumliche Unterschiede hinsichtlich der Zonierung zu beobachten sind: Je strenger der Schutzstatus, desto geringer ist die Anzahl an nutzbaren Ökosystemdienstleistungen. Mittels Q-Methode wurden fünf unterschiedliche Werteperspektiven auf die bereitgestellten Ökosystemdienstleistungen identifiziert: 1) Übereinstimmung mit der Biosphärenreservats-Idee, 2) Regionalität mit dem Streitpunkt Kultur, die als a) entbehrlicher Luxus oder b) elementarer Lebensinhalt wahrgenommen wird, 3) Landwirtschaft und Nostalgie sowie 4) Vorsorge durch natürliche Regulierungsleistungen. Alle Perspektiven stimmen darin überein, dass die Vielfalt der Natur und sauberes Trinkwasser sowie die meisten regulierenden Ökosystemdienstleistungen von großer Wichtigkeit sind. Die Ergebnisse der Erfassung können als Grundlage zur weiteren Untersuchung der Ökosystemdienstleistungen im UNESCO Biosphärenreservat Schaalsee verwendet werden.
The research aims to assess the sustainability of rural electrification efforts based on off-grid photovoltaic (PV) systems in three Andean countries: Chile, Ecuador, and Peru. Although deployment of off-grid PV solutions for rural electrification began in the early 1990s in the Andean region, most of the projects turned out to be unsustainable and did not last. Prior efforts have addressed the different issues and barriers that plagued these projects and inhibited their sustainability. However, these prior analyses were mostly quantitative; systematic qualitative evaluations have been scarce. In this thesis, the researcher addresses the following research question: "Are the rural electrification programs (based on off-grid PV Systems) in the Andean countries sustainable?" In order to answer this research question, he conducted an exhaustive qualitative document analysis complemented by semi-structured expert interviews. The interviewees included experts from different ministries, project managers from leading Non-Governmental Organizations (NGOs), public and private companies ' representatives, supervisors, and researchers. Although the author also describes several relevant PV-based electrification efforts in the Andean countries, the research was aimed at providing an overall picture of the rural electrification efforts in these countries, rather than measuring the success or failure of specific projects. The gathered information allowed me to assess the sustainability of rural electrification efforts in the Andean countries. This assessment was based on a set of indicators corresponding to the four dimensions of sustainability considered in this thesis: institutional, economical, environmental, and socio-cultural. It was found that Ecuador and Chile have consistently failed to ensure mechanisms for the operation and maintenance of the deployed off-grid systems, which has made these solutions in poor Chilean and Ecuadorian communities inevitably unsustainable. Although Peru has adopted a cross-tariff scheme, the Peruvian case shows that ensuring the funding of off-grid PV solutions is not enough. Peruvian officials appear to be unaware of the importance of local participation (local values and lifestyles are constantly disregarded) and most of the projects have been designed without the participation and engagement of the communities, which has often led to project failures and payment defaults. Although each country has its particular challenges, it was found that the three Andean countries have consistently neglected the importance of strong formal institutions with a flexible and decentralized structure, which in turn significantly compromised the rural electrification effort in these countries.
The effects of habitat fragmentation and land use changes are usually studied by relating patterns of genetic diversity and differentiation to environmental factors, habitat history, landscape structure, or to a combination thereof. However, these three drivers are rarely addressed simultaneously. In addition, these studies are usually carried out in conservation-driven contexts, and therefore tend to concentrate on hyper-fragmented landscapes and on rare or endangered species. However, how habitat fragmentation and land use affect widespread species in more typical landscapes has not been fully investigated. This thesis addresses these two gaps. Abax parallelepipedus, a flightless ground beetle with low dispersal power, was used as a model species to test how environmental factors, habitat history, and landscape structure affect genetic diversity and genetic differentiation in three study regions located across Germany. Although all of the study regions represent fairly typical rural landscapes for central Europe, each consisting of a complex matrix of land uses, they differ from one another in terms of environmental factors, habitat history, and landscape structure, and thus can serve as three test cases. In the first stage of the work, the investigator identified polymorphic microsatellite loci which could potentially be used to study genetic diversity and differentiation in A. parallelepipedus. She then developed PCR and genotyping protocols for two suites of loci, in the end selecting to use the set of 14 fully multiplexed loci for the study. After having developed the needed study system, she genotyped over 3300 beetles from 142 study sites. In her investigation of how environmental factors and habitat history affect genetic diversity and genetic differentiation, and found that genetic diversity was being driven by variables that could be related to population sizes rather than by habitat history. She also did not find evidence of an influence of habitat history on the genetic differentiation patterns. Although populations of A. parallelepipedus in the past were probably smaller due to deforestation, they apparently remained large enough to prevent rapid genetic drift. In addition, the researcher carried out a landscape genetics analysis of the genetic differentiation patterns found in each of her study regions, in which she examined the relationship between genetic differentiation and landscape structure. She tested whether she could find patterns of isolation by distance, isolation by resistance, or isolation by barriers in the study regions. No effects of land use or of fragmentation were found. Based on the importance of population sizes found in the previous study, combined with the beetle's known avoidance of non-wooded areas and its inability to cross roads, the investigator concludes that although there is probably little gene flow across the study regions, large population sizes are preventing the rapid development of genetic differentiation. Models simulating the development of genetic differentiation over time in populations of different starting sizes support this conclusion.
Das ubiquitäre Vorkommen von Arzneimittelrückständen ist eng mit möglichen Risiken für Mensch und Umwelt verbunden. Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Weiterentwicklung methodischer Ansätze für die Identifizierung prioritärer Arzneimittelrückstände vor dem Hintergrund bestehender Wissens- und Regulierungslücken. Unter diesem Gesichtspunkt wurden drei aktuelle Problemfelder aus dem Themenkomplex "Arzneimittel in der Umwelt " ausgewählt und anhand konkreter Fallbeispiele betrachtet. Tierarzneimittel werden häufig mit der Ausbringung von Wirtschaftsdünger in landwirtschaftlich genutzte Böden eingetragen. Gegenstand der ersten Publikation ist die Frage, inwiefern Anwendungsschemata aus der Nutztierhaltung für die retrospektive Identifizierung prioritärer Tierarzneimittelrückstände genutzt werden können. Hierzu wurde eine spezielle Herangehensweise entwickelt und am Beispiel von Antibiotika erprobt. Die durchgeführte Eintragsabschätzung ermöglichte erstmalig eine umfassende Einschätzung der potenziellen Antibiotikabelastung in Wirtschaftsdünger und landwirtschaftlich genutzten Böden im nordwestdeutschen Raum. Die Ergebnisse deuten auf erhebliche Umwelteinträge hin, die eine Neubewertung bestehender Wirkstoffzulassungen notwendig erscheinen lassen. In der zweiten Publikation wurden am Beispiel einer Mischung aus 18 Arzneistoffen verschiedene Bewertungsansätze verfolgt, um das Risiko einer kombinierten antimikrobiellen Wirkung genauer zu charakterisieren und prioritäre Mischungsbestandteile zu identifizieren. Das Risiko einer antimikrobiellen Wirkung wurde sowohl durch eine experimentelle Prüfung der Mischung als auch durch einen komponentenbasierten Berechnungsansatz bestätigt. Der komponentenbasierte Ansatz verdeutlichte zudem die besondere Relevanz der in der Mischung enthaltenen Fluorchinolon-Antibiotika. Die notwendige Grundlage für eine belastbare Abschätzung von Kombinationseffekten sind jedoch harmonisierte Einzelstoffdaten, die bisher nicht im benötigten Umfang zur Verfügung stehen. Deshalb sollte speziell für Antibiotika eine systematische Prüfung der Wirkung auf Umweltmikroorganismen durchgeführt werden. Arzneistoffe können entlang ihres Lebenszyklus verschiedene biotische und abiotische Transformationsprozesse durchlaufen, die oft zur Bildung von unvollständig charakterisierten Transformationsprodukten (TPs) führen. Die Publikationen 3-7 leisten einen allgemeinen Beitrag zur Einschätzung des möglichen Gefahrenpotenzials von pharmazeutischen TPs im Wasserkreislauf und generieren neue methodische Erkenntnisse vor dem Hintergrund einer vorausschauenden Identifizierung von prioritären Abbauprodukten. Die durchgeführten Fallstudien bestätigten, dass photochemische Transformationsprozesse nicht nur zur Abschwächung bereits vorhandener, sondern im Gegenteil auch zur Entstehung gänzlich neuer Gefahrenpotenziale beitragen können. Es ist somit stark in Frage zu stellen, ob die alleinige Fokussierung auf bekannte Aktivitäten der Muttersubstanz für eine sichere Bewertung von TPs ausreicht.