540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Süßwasserökosysteme stellen für menschliche Gesellschaften verschiedene Ökosystemdienstleistungen wie zum Beispiel Trinkwasser oder Fischressourcen bereit. In der modernen Landwirtschaft kommen große Mengen von Agrochemikalien zum Einsatz, die in die Fließgewässer gelangen und dort zur Schädigung des Ökosystems führen können. Die vorliegende Arbeit trägt wichtige Erkenntnisse zur Abschätzung von Exposition und Effekten bei, die aus dem Eintrag von Pestiziden in Fließgewässerökosysteme resultieren können. Dabei wird eine der umfangreichsten Feldstudien zu den Auswirkungen der Pestizidbelastung in kleinen landwirtschaftlichen Fließgewässern vorgestellt. Die Feldstudie wurde an 29 Bächen in zwei Gebieten Finnlands und Frankreichs durchgeführt und umfaßte die Aufnahme der Zusammensetzung der Invertebratengemeinschaften und eines wichtigen Ökosystemprozesses, dem Blattabbau. Des Weiteren wurde ein Pestizidmonitoring für Verbindungen durchgeführt, die nach den Ergebnissen behördlicher Untersuchungen in ökotoxikologisch relevanten Konzentrationen in den Gewässern vorkommen. Nach der Einleitung (Kapitel 1), werden in den Kapiteln 2-4 neue Methoden zur Erfassung der Pestizidbelastung von Fließgewässern vorgestellt und bewertet. Die Ergebnisse aus der Feldstudie zu den Auswirkungen von Pestiziden werden im Kapitel 5 präsentiert. Im 2. Kapitel wird eine neue Methode zur Erfassung von schwebstoffadsorbierten Pestiziden vorgestellt, bei der die Extraktion mit der beschleunigten Lösemittelextraktion (ASE) durchgeführt wurde. Die Methode zeigte gute Ergebnisse bezüglich Exaktheit und Genauigkeit der Wiederfindung bei der Extraktion 10 polarer und semi-polarer Pestizide verschiedener chemischer Klassen. Bei der Anwendung der Methode auf Schwebstoffproben aus den französischen Bächen wurden Konzentrationen gefunden, die auf Invertebraten toxisch wirken könnten. Zusätzlich wurde in dieser Studie die Geeignetheit von deuterierten Standards der Analyten zur Verwendung als interne Standards während der Extraktion, Aufreinigung und Analytik untersucht. Dabei zeigte sich, daß bei deuterierten Standards mit weniger als 10 Deuteriumatomen Unterschiede im Verhalten zur nicht-deuterierten Verbindung auftreten können. Das folgende Kapitel stellt ein Kalibrationsexperiment zur Ermittlung von Sammelraten für den Chemcatcher® Passivsammler mit polarer Empfängerphase vor. Sammelraten für Passivsammler werden benötigt, um nach der Ausbringung in Gewässern zeitlich-gewichtete Durchschnittskonzentrationen (engl. TWA) berechnen zu können. Für den Chemcatcher® bewegten sich die Sammelraten im Bereich von 0.1 bis 0.5 L pro Tag. Das Kalibrationsexperiment ergab zudem, daß der Chemcatcher® ohne diffusionslimitierende Membran für Felduntersuchungen mit bis zu 14 Tagen Expositionszeit geeignet ist. Die ermittelten Sammelraten werden im 4. Kapitel verwendet, um TWAs für die Freilandexposition des Chemcatchers® in den französischen Bächen zu berechnen. Ferner wird die Leistungsfähigkeit des Chemcatchers® mit zwei weiteren Verfahren zur Erfassung von gewässerbezogener Pestizidbelastung verglichen. Dabei zeigte sich, daß die Probenahme der Wasserphase mit dem Chemcatcher® oder einem ereignisbezogenen Wasserprobenehmer bei polaren und semipolaren Pestiziden ein angemesseneres Bild der Belastung liefert als die Probenahme der Schwebstoffphase. Das 5. Kapitel ist den Auswirkungen von Pestiziden gewidmet und präsentiert eine Risikoabschätzung für die Auswirkungen der Pestizideinträge in die französischen und finnischen Gewässer. Zusätzlich werden potentielle Effekte auf den Blattabbau untersucht und die Anwendbarkeit des „Gefährdete Arten“ (SPEcies At Risk - SPEAR) Index für das länderübergreifende Biomonitoring beurteilt. Das Hauptergebnis der Studie ist, daß Pestizide selbst in Konzentrationen, die bisher als unbedeutend angesehen wurden, sowohl die Struktur der Invertebratengemeinschaften verändern als auch den Blattabbau hemmen können. Des Weiteren war der SPEAR Indikator geeignet, Effekte von Pestiziden über verschiedene Regionen hinweg nachzuweisen. Zusammenfassend weist diese Arbeit nach, daß Pestizide einen wichtigen Störfaktor für Fließgewässerökosysteme darstellen können und liefert Methoden zur Expositions- und Effektabschätzung die in zukünftigen Studien Anwendung finden könnten.
Auf der Grundlage einer breit angelegten Identifizierung und Quantifizierung von 79 PAK-Derivaten in Grundwasserproben einer teerkontaminierten Altlast wurde deren Ausbreitungs- und mikrobiologische Abbauveralten im Aquifer untersucht. Dazu wurden im Vorfeld 2 chromatographische Verfahren, 11 verschiedene Extraktionswege und 5 Derivatisierungsverfahren auf ihre Eignung überprüft. Von den 79 zugeordneten PAK-Derivaten konnten im Abstrom 47 positiv nachgewiesen, quantifiziert und einige weitere qualitativ nachgewiesen werden. In Zonen mit niedrigen biologischen Abbauraten zeigten die polaren PAK-Derivate größere Reichweiten in der Schadstoffahne als ihre unpolaren Pendants.
Die Arbeit liefert die Grundlagen zur chemischen Entfernung von Biodiesel aus dem Motoröl, um eine Minderung der Einschleppungsproblematiken beim Einsatz von biogenen Kraftstoffen und Dieselpartikelfiltern zu erzielen. Das Prinzip beruht auf einer wechselwirkenden Beimischkomponenten die eine Azeotropbildung mit Biodiesel einleitet. Eine gaschromatographische Headspace-Screening-Methode diente der Messung von Aktivitätskoeffizienten in Anwesenheit von Biodiesel. Die Ergebnisse dieser Analysen lieferten erste Erkenntnisse welche funktionalen Gruppen eine notwendige starke Wechselwirkung mit Biodiesel besitzen. Die gaschromatographischen Analysen wurden zudem mit Simulationsrechnungen mittels COSMOtherm untermauert. Im Laborversuch haben sich polare Säuren wie Ameisensäure oder Essigsäure als gute Beimischkomponenten erwiesen. Aldehyde, Ketone oder Alkohole sind weniger geeignet. Säuren wirken als Hydrogen Bond Donator und besitzen hohe Aktivitätskoeffizienten mit Biodiesel. Durch die Destillation des gebildeten azeotropen Gemischs kann die Entfernung von Biodiesel aus dem Motoröl bei niedrigen Temperaturen von ca. 180 Grad Celsius bis 190 Grad Celsius realisiert werden. Ohne den Einsatz von Beimischkomponenten liegt die Destillationstemperatur von Biodiesel bei ca. 330 Grad Celsius.
Herbizide, die durch Spray-Drift, Volatilisation oder Winderosion aus landwirtschaftlichen Flächen ausgetragen werden können wiederum auf Nichtzielpflanzen gelangen. Es wird angenommen, dass Wälder eine Senke für luftgetragene Pestizide darstellen. Wirkungen von luftgetragenen Herbiziden auf Nichtzielpflanzen können nicht ausgeschlossen werden. An Blättern von Nichtzielpflanzen haftende Herbizide können wiederum durch Regenereignisse aus der Laubschicht ausgewaschen werden und in den Boden gelangen. Welche Stoffe nach deren Deposition ausgewaschen werden oder aber in der Laubschicht verbleiben hängt vom Verteilungsverhalten an der Blattoberfläche ab. In der vorliegenden Dissertation wurde das Verteilungsverhalten von current-use Herbiziden und einiger ihrer Abbauprodukte an der Oberfläche von Nichtzielpflanzen bestimmt. Als Modellorganismus diente die Waldkiefer Pinus Sylvestris L. mit deren Nadeln Versuche zur Charakterisierung des Adsorptions- und Desorptionsverhaltens von 55 Herbiziden aus wässrigen Lösungen durchgeführt wurden. Es wurden Verteilungsversuche sowohl mit rekonstituiertem epikutikulärem Wachs als auch mit intakten Kiefernnadeln durchgeführt. Für den Stoff Terbuthylazin konnte bei Versuchen mit rekonstituierten epikutikulären Wachsen eine Aufnahme aus der wässrigen Lösung in das Wachs festgestellt werden. Der Verteilungskoeffizient zwischen Wachs und Wasser betrug für die Adsorption log KWachsW = 3, 0. Für die Desorption wurde ein höherer Verteilungskoeffizient von log KWachsW = 3, 3 ermittelt und auf Grund der Differenz eine teilweise irreversible Bindung des Terbuthylazins an das epikutikuläre Wachs angenommen. Sorptionsversuche mit wässrigen Lösungen und intakten Kiefernnadeln zeigten für 19 weitere Herbizide mit einem log KOW > 3,8 eine schnelle Adsorption aus der wässrigen Phase an die Nadeloberfläche mit einer mittleren Lebensdauer für die Adsorption von 12 Minuten (Aclonifen, Bifenox, Bromoxynil-octanoat, Diflufenican, Fenoxaprop-p-ethyl, Fluazifop-p-butyl, Fluroxypyrmeptyl, Haloxyfop-ethoxyethyl, Haloxyfop-methyl, Mefenpyr-diethyl, PCP, Pendimethalin, Picolinafen, Propaquizafop, Prosulfocarb, Pyridate, Quizalofop-ethyl, Triallate und Trifluralin). Die für diese Stoffe ermittelten Kutikula/Wasser-Verteilungskoeffizienten liegen im Bereich log KCW = 3,3 bis 4,8. Für 7 Stoffe war nach einer schnellen Verringerung der Konzentration in der wässrigen Phase eine weitere stetige Abnahme der Herbizidkonzentration mit einer Lebensdauer unter 2000 Minuten zu beobachten (Fluroxypyr-meptyl, Fenoxaprop-p-ethyl, Propaquizafop, Quizalofop-ethyl, Trifluralin, Fluazifop-p-butyl und Haloxyfop-methyl), was durch eine Aufnahme der Stoffe über die epikutikuläre Wachsschicht in das innere Gewebe der Kiefernnadeln erklärt werden kann. Die Stoffe Bromoxynil-octanoat, Fluroxypyr-meptyl, Propaquizafop, Quizalofop-ethyl und Trifluralin zeigten eine irreversible Aufnahme aus wässrigen Lösungen in Kiefernnadeln. In einem Laborversuch wurde die Deposition von Herbiziden auf intakten Kiefernnadeln simuliert. Die Verteilung zwischen der epikutikulären Wachsschicht, Niederschlagswasser und den nach Extraktion mit Dichlormethan verbleibenden Nadeln wurde für das Herbizid Isoproturon und seine Abbauprodukte ermittelt. Das hierfür entwickelte Versuchsdesign erlaubte die Messung der Verteilungsvorgänge an intakten, noch am Zweig befindlichen Kiefernnadeln. Die Translokation, Volatilisation und die Bildung von Abbauprodukten konnten quantifiziert werden. Die Laborversuche ergaben, dass Isoproturon bei Kontakt mit wässrigen Lösungen sofort (Lebensdauer unter 1 Minute) von der Oberfläche der Kiefernnadeln desorbiert und nicht in das innere Gewebe der Kiefernnadel aufgenommen wird. Darüber hinaus treten bei Driftrückständen kleiner Stoffmenge und Schichtdicke (1 ng/mm²) für Isoproturon hohe Verluste (zwischen 47 und 88 % der ursprünglich applizierten Menge) durch Volatilisation und abiotischen Abbau auf. Aus den Ergebnissen der Laborversuche können Rückschlüsse zum Verbleib des Herbizids Isoproturon im Waldökosystem getroffen werden. Sie zeigen, dass Driftrückstände von polaren Herbiziden durch Regenereignisse aus der Vegetationsoberfläche von Nichtzielpflanzen ausgetragen werden und in andere Umweltkompartimente gelangen können.
Gegenwärtige atmogene N-Einträge in die Lüneburger Heide überschreiten die durch den critical-load für Sandheiden definierte Belastungsgrenze von 10-20 kg ha-1 und zeigen den Handlungsbedarf für eine langfristige Erhaltung dieser geschützten Lebensräume. Die traditionelle Schafbeweidung im NSG Lüneburger Heide kann diese hohen atmogenen N-Einträge kompensieren. Das Herdenmanagement minimiert den Nährstoffeintrag über die Exkremente der Tiere, so dass diesem Transfer nur eine geringe Bedeutung zukommt. Die N-Austräge über das Sickerwasser vor, während und nach den Pflegemaßnahmen spielen nur eine untergeordnete Rolle. Extensive Pflegemaßnahmen wie die Mahd und das kontrollierte Brennen sind nicht geeignet die atmogenen N-Einträge langfristig zu kompensieren. Intensiven Pflegemaßnahmen (Schoppern, Plaggen) gelingt dieses, benötigen aber einen zu langen Bearbeitungszyklus, innerhalb dessen kombinierte Verjüngungsmaßnahmen notwenig werden. Die Pflegemaßnahmen haben Auswirkungen auf die N- und P-Vorräte im Heidesystem und führen großteils zu einer P-Verarmung. Das kontrollierte Brennen beeinflusst den P-Haushalt am geringsten. Eine Kombination des Feuereinsatzes mit anderen extensiven Maßnahmen erscheint daher sinnvoll.
Poor quality of freshwaters is a widespread problem. The concept of complexity is a particularly promising concept to analyse and address this problem, and public policy problems more generally. The main reason is the concept's strength in unifying structural features of problems within a more comprehensive structural approach to political problem-solving. So far, however, these possible benefits remained hidden given the lack of a clear understanding of complexity, ultimately hampering a systematic analysis of the implications of complexity for solutions and governance strategies. This study aims at strengthening the value of the concept of complexity for systematic comparative analyses of water-related problems and public policies in general. To achieve this goal, this work is to specify the concept of complexity as well as the implications of complexity for solutions and governance strategies, both from a theoretical and an empirical point of view. To this end, five main basic approaches are applied, referring to underlying premises, the role of an interdisciplinary approach, the European Water Framework as an empirical reference point, the integration of practical knowledge, and the focus on external validity. This dissertation provides a detailed operationalisation of complexity related to the dimensions of goals, variables, dynamics, interconnections, and informational uncertainty. It also shows that freshwater pollution-related problems in Germany differ along these five complexity dimensions. This applies to 37 types of pollution-related problems and four clusters of problems, which refer here to tame, wicked, system complexity, and uncertainty problems. This dissertation suggests that relations between complexity and policy delivery can be both positive and negative and vary along dimensions of complexity and policy delivery. Regarding the analysed freshwater pollution problems, this work also shows various effects of complexity on policy delivery, both along the 37 types of problems, and along four clusters of wicked problems. This dissertation suggests a differentiated theoretical approach to define governance for complex problem-solving, demonstrating that the role of diverse institutions, actors, and interactions differs for solutions along five key dimensions of complexity and different management strategies that are information gathering, modelling, using decision-support tools, prioritising of measures, conflict solving, deciding under uncertainty, and being adaptive and flexible.
To improve the properties of thermochemical heat storage materials, salt mixtures were evaluated for their heat storage capacity and cycle stability as part of the innovation incubator project "Thermochemical battery" of the Leuphana university Lüneburg. Based on naturally occurring compound minerals, 16 sulfates, 18 chlorides and 5 chloride multi-mixtures, 18 bromides and 5 intermixtures between sulfates, chlorides and bromides were synthesized either from liquid solution or by dry mixing for TGA/DSC screening before continuing the heat storage evaluation with five different measurement setups at a laboratory scale. The TGA/DSC analysis served as a screening process to reduce the number of testing materials for the upscaled experiments. The evaluation process consisted of a three-cycle dehydration/hydration measurement at Tmax=100°C and Tmax=200°C. In case of the bromide samples a measurement of hydration conditions with Tmax=110°C and a water flow at e=18.68mbar, were added to the procedure to detect the maximum water uptake temperature. Also, a single dehydration to a temperature of Tmax=500°C was implemented to observe melting behavior and to easier calculate the samples’ stages of hydration from the remaining anhydrous mass. Materials which showed high energy storage density and improved cycle stability during this first evaluation were cleared for multi-cycle measurements of 10 to 25 dehydration and hydration cycles at Tmax = 100 to 120°C and the evaluations at m=20 to 100g scale. An estimate for the specific heat capacities at different temperatures of the materials which passed the initial stage was calculated from the TGA/DSC results as well. The laboratory scale measurement setup went through five stages of refining, which led to reducing the intended maximum sample mass from m=100g to m=20g. A switch from supplied liquid water to water vapor as the used reactant was also implemented in exchange for improved dehydration conditions. Introducing a vacuum pump for evaporating the water limited the influence of outside heat sources during hydration and in-situ dehydration was enabled as to not disturb the state the samples were settling in between measurements. Baseline calculation from blanc measurements with glass powder and attempts to calculate the specific heat capacity cp of the tested materials by 6 applying the Joule-Lenz-law to the measurement apparatus was another step of method development. The evaluation process of the laboratory scale tests at the final setting consisted of 1 to 5 cycle measurements of in-situ dehydration and hydrations with applied vacuum for t=30 minutes at p~30mbar. Upscaling the sample mass to m=20g allowed for a close observation of different material behaviors. Agglomeration, melting and dissolving of the m=10mg samples during the TGA/DSC analysis can be deducted from the recorded measurement curves and the state of the sample after measurement. However, at laboratory scale the visible volume changes, observed sample consistency after agglomeration and an automatic removal of molten and dissolved sample mass during the measurement allowed for a better characterization and understanding of the magnitude of the actual changes. This was done for the first time, particularly for mixed salts. Of the original number of 62 samples, 4 mixtures which passed the initial TGA/DSC screening namely {2MgCl2+ KCl}, {2MgCl2+CaCl2}, {5SrBr2+8CaCl2} and {2ZnCl2 + CaCl2} were chosen for further evaluation. The multi-cycle TGA/DSC measurements of {2MgCl2+ KCl}, {2MgCl2+CaCl2} and {5SrBr2+8CaCl2} showed an improved cycle stability for all three materials over the untreated educts. Of the four materials {2ZnCl2 + CaCl2} displayed the strongest deliquescence during hydration in the upscaled experimental setup. {2MgCl2+CaCl2} proved to be the most stable material regarding the heat storage density. The {MgCl2} content of the mixture is likely to partially or completely react to {Mg(OH)Cl} at temperatures of T>110°C, which however does not impede the heat storage density. {5SrBr2+8CaCl2} displayed a low melting point in hydrated state, causing a fast material loss. This makes it an undesirable storage material. A lower heating rate may still help to avoid an early melting. The {2MgCl2+KCl} mixture was the most temperature stable of the mixtures showing no melting or dissolving behavior. A reaction of the {MgCl2} component of the mixture to {Mg(OH)Cl} was not observed within the applied temperature range of T=25 to 200°C.
After being administrated to humans or animals, pharmaceuticals may be metabolized by a variety of mechanisms and pathways within the body. Once these compounds and/or their metabolites are excreted, they may undergo degradation in the aquatic environment. Unfortunately, a rapid and complete mineralization cannot always be guaranteed, whereas relatively stable transformation products (TPs) may be formed. The largest part of older studies focused on investigation of the elimination kinetics of parent compounds without considering the amount and chemical structure of individual TPs. Only recently, there is an increasing trend to deliver such information. Nevertheless, since drugs are defined as significant environmental pollutants, it is not only important to elucidate their TPs, but also necessary to investigate whether these formed compounds preserve the same mode of action as the parent compound or are even more toxic. Thus, two main objectives of this thesis can be formulated. Firstly, to highlight the concern originated by metabolites and transformation products of pharmaceuticals that contaminate the environment. Hereby, the already-published knowledge on TPs within a certain selection of drugs is assessed to exemplify the number and quality of the existing information on their TPs. Secondly, to particularly investigate the fate of the antibiotic ciprofloxacin (CIP). This is done by (a) evaluating the suitability and sustainability of the photolytic decomposition as an advanced water treatment technique, (b) monitoring the course of genotoxicity of the irradiated mixtures using a battery of genotoxicity and cytoxicity in vitro assays, and (c) considering the potential genotoxicity for CIP´s individual TPs by the employment of in silico approaches using quantitative structure activity relationships (QSAR) models. This thesis based on the results and conclusions of five articles, which can be found in the appendix. A systematic literature review was conducted on the current state of knowledge on pharmaceuticals and its derivatives in the environment. Two groups, namely antibiotics and anticancer drugs, were considered more closely with respect to the availability of chemical structures for their TPs. Furthermore, the photodegradation of CIP as well as a preliminary toxicity assessment of its identified TPs were investigated in three research papers. An extensive review with a table at its core shows the existing data on 158 TPs, which already have an assigned registry number in chemical abstracts service (CAS-RN), was presented. In total, 294 TPs, identified with chemical structures in the literature, were found for 15 compounds out of the 21 that were selected as target compounds. Eleven TPs, created from CIP, were identified by high-performance liquid chromatography/high-resolution multiple-stage mass spectrometry. It was detected that the transformation of CIP mainly occurred through substitution of fluorine, defluorination, hydroxylation of the quinolone core and the breakdown of the piperazine ring. Some of the identified TPs of CIP were predicted as genotoxic by QSAR analysis, while the experimental testing for a few genotoxic and cytotoxic endpoints showed that the potential of the resultant mixtures could be primarily dependent on the concentration of residual CIP. In contrast, irradiation mixtures were neither mutagenic in the Ames Test nor genotoxic in the in vitro Micronucleus Test. It is possible that the effect of the TPs was masked by antagonistic mixture interactions and/or they were not formed at effectively concentrations. Nevertheless, all of the identified TPs of CIP still retained the core quinolone moiety, which is responsible for the biological activity. Thus, a more comprehensive assessment, encompassing more genotoxic endpoints, chemical analysis characterization and exposure analyses, needs to be conducted. Information available on TPs demonstrates that already slight changes in treatment conditions and processes result in the formation of different TPs. Nevertheless, most of the transformation products could neither be identified nor fully assessed regarding their toxicity. This, in turn, presents a major challenge for the identification and assessment of TPs. Hence, from a practical and sustainability point of view, limiting the input of pharmaceuticals into effluents as well as improving their (bio)degradability and elimination behavior, instead of only relying on advanced effluent treatments, is urgently needed. Solutions that focus on this
Subaquatic ammunition dumpsites of both, conventional as well as chemical ammunition do practically exist in every single ocean and even in a significant number of inland waters. Most of these dumpsites are based on related post world war dumping actions, when victorious and defeated states had to get rid of their enormous surplus stocks of ammunition and especially the not easy to be handled chemical warfare agents like mustard, phosgene and even nerve agents. After first attempts of conventional destruction like burning, explosion or even simple emptying of chemical agents into pits or holes in the ground, those attempts soon emerged to be very time-consuming and dangerous. Adequate destruction technologies of today’s standards like detonation chambers or plasma kiln did just not exist at that time. The persons in charge soon focused on a much more promising solution attempt: the dumping of this ammunition into surrounding water bodies. In the case of the post World War II dumping actions, the focusing on the former deep water sites soon turned out to be not practicable, based on related enormous costs and logistical problems. The Baltic Sea – with maximum water depths of about 150 m – seemed then to represent the easiest way to get rid of the problematic ammunition. By these activities 65,000 to up to 300.000 tons of chemical ammunition ended up in the Baltic Sea. Concerning conventional ammunition like water mines, torpedo warheads, high explosive devices etc., there is practically no information available but experts assume at least another 100.000 tons of conventional material in the Baltic Sea. Environmental aspects and the issue of protection of the sea were – like in other cases of subaquatic dumping actions worldwide – completely ignored at that time. Nevertheless, subaquatic dumping actions took place until the late 1980ies. Today these dumping sites – whether based on conventional or on chemical ammunition – do represent a very problematic and highly dangerous heritage to present and future generations: Corrosion of the containers and shells results in a not to be forecasted diffuse emission or rather leaking of the ammunition contents into the water body. Substances that are in most cases highly or even extremely toxic for humans, flora as well as fauna contaminate the marine environment with mostly unknown toxicological and ecotoxicological effects. The majority of these substances are known to have carcinogenic, teratogenic and/or mutagenic effects and practically nothing is known about the potential of these substances to end up in the food chains. Especially in recent years there are more and more findings of significantly increased arsenic values in fish that cannot be explained but there are strong signs that these values are based on ammunition dumpsites. Besides the mentioned toxicological and ecotoxicological effects, there are further significant risks as e.g. the possible access to the ammunition also in the context of terrorist and right-wing extremist activities, the continuous catching of and resulting injuring of fishermen by ammunition, the constant endangering of the civil and commercial shipping by direct contact or rather too close convergence to dumped ammunition especially in the context of self detonation or a sudden release of significant amounts of these substances e.g. in the context of an accident and last but not least the uncontrollable landing of containers and ammunition as well as already flushed out contents on coasts and beaches. Basically can be stated that there is still a significant need of action and scientific investigation in the general topic of subaquatic ammunition dumpsites and that related measures have to be taken immediately – especially concerning our sense of responsibility for future generations.
El-Salam Canal Project aims at increasing the Egyptian agricultural productivity through agricultural and stock development by irrigating about 263,500 ha gross of new lands. In order to stretch the limited water supply to cover these reclaimed areas, fresh River Nile water is augmented with agriculture drainage water from Hadus and Lower Serw drains to meet crop requirements, especially during summer months (peak demand). With a growing population and intensified industrial and agricultural activities, water pollution is spreading in Egypt, especially in main drains, which receive almost all kinds of wastes (municipal, rural, domestic and industrial wastes). The medical records indicate that significant numbers of waterborne-disease cases (bilharzias, typhoid, paratyphoid, diarrhoea, hepatitis A, B and C) have been reported in many areas in Egypt (MOHP, 2000). The National Water Quality Monitoring Program (NWQMP) in Egypt covers the Nile River, irrigation canals, drains and groundwater aquifers to assess the status of water quality for different water uses and users. The overall objective of this research is to introduce a rationalization technique for the drainage water quality-monitoring network for Hadus drain as a main feeder of El-Salam Canal Project. Later on, this technique can be applied for other parts in the NWQMP. The rationalization process started firstly with assessing and reformulating the current objectives of the network. Then, the monitoring locations were identified using integrated logical and statistical approaches. Finally, a sampling frequency regime was recommended to facilitate proper and integrated information management. The monitoring objectives were classified into three classes: design oriented, short-term and long-term deductible objectives. Mainly, the objectives “assess compliance with standards”, “define water quality problems”, “determine fate and transport of pollutants”, “make waste-load allocations” and “detect possible trends” were considered in the redesign process of the network. A combination of uni-, bi-, and multi-variate statistical techniques supported by spatial and temporal analysis for the important tributaries (key players) in Hadus drain system, were used for locating the monitoring sites. The key players analysis was carried out in the light of monitoring objectives. As a result, the monitoring network was divided into three priority levels (Layers I, II and III) as following: Layer I: It has the highest priority level and includes eight monitoring locations Layer II: It has the second priority level and includes three monitoring locations Layer III: It has the lowest priority level and includes five monitoring locations Using the method proposed by Lettenmaier (1976), the sampling frequencies were initially estimated and then evaluated for 36 water quality parameters, which were collected on monthly basis during the period from August 1997 to January 2005. The evaluation process was carried out by generating new data sets (subsets) from the original data. Then, the common required statistics from the monitoring network were extracted. The information obtained from different data sets was assessed using visual and statistical comparisons. Three integrated validation methods were employed to ensure that any decisions concerning the proposed program would not affect its ability to accomplish the monitoring objectives. These validation methods employed: descriptive statistics, regression analysis and linear multiple regression in an integrated approach. The validation results ensured that excluding the monitoring locations in layer III did not significantly affect the information produced by the monitoring network. Therefore, a monitoring network including only 11 sites (out of 16) representing the layers I and II was recommended. Based on the evaluation of sampling frequencies, it is recommended to have 6 (instead of 12) samples per year for 18 water quality parameters (COD, TSS, TVS, N-NO3, Pb, Ca, Na, Cl, Visib, BOD, Cu, Fe, Mn, pH, TDS, K, SO4_m and DO). The measured parameter SO4m will automatically replace the SO4 (calculated). SAR and Adj. SAR also can be calculated from the other parameters. For the other fifteen parameters (Mg, EC, Br, Ni, Sal, Cd, TN, TP, Temp, Fecal, Coli and N-NH4, Zn, P and Turb), it is recommended to continue with twelve samples per year. These recommendations may ensure significant reduction in the total cost of the monitoring network. This facilitates a fiscal resource, which is a key prerequisite in developing a successful program. The rescued budget can be redirected to achieve better performance in terms of improving the current resources. In addition, a frame of stakeholders-participation mechanism was proposed to not only facilitate a better coordination among the Egyptian Ministries involved in the water sector but also guarantee effective landowners/farmers involvement. However, applying such a mechanism requires more detailed studies of all the previous experiences gained by many projects trying to achieve better integration between objectives, plans and activities for the different environmental institutions in Egypt.
In jüngster Zeit führten moderne Entwicklungen der Landbewirtschaftung und veränderte ökonomische Rahmenbedingungen europaweit dazu, dass vor allem landwirtschaftliche Grenzertragsflächen brach fielen, während andere Flächen eine Nutzungsintensivierung erfuhren. In dem Bemühen, einem damit verbundenen Flächenverlust naturschutzfachlich wertvollen extensiv genutzten Grünlandes entgegenzuwirken, ist das Konzept der halboffenen Weidelandschaft von zentraler Bedeutung. Eine ganzjährige, extensive Beweidung von großräumigen Weidesystemen mit gemischtartigen Herden soll die Biodiversität halboffener Kulturlandschaften erhalten und einer Ausbreitung von Gehölzen entgegenwirken. Die vorliegende Dissertation beruht auf Untersuchungen, die von 2000 bis 2005 auf einer 180 ha großen Teilfläche des Naturschutzgebietes Höltigbaum am östlichen Stadtrand Hamburgs durchgeführt wurden. Mittels GPS (Globales Positionierungssystem) und GIS (Geographisches Informationssystem) wurde die Raumnutzung von Rindern und Schafen von Januar bis Oktober 2003 untersucht. Jeweils ein Rind sowie ein Schaf wurden mit GPS-Empfängern versehen und ihre Positionskoordinaten alle fünf Minuten gespeichert. Die Positionsdaten wurden hinsichtlich zuvor erhobener räumlicher Faktoren wie Vegetationseigenschaften, Geländehöhe, Gehölzdichte, Entfernungen von Zäunen, Wasserstellen und einem Schafunterstand analysiert, um folgende Fragen zu beantworten: · Welche Lebensräume werden wann und von welcher Weidetierart bevorzugt, werden alle Lebensräume genutzt? · Von welchen Faktoren wird das jeweilige Raumnutzungsverhalten der Weidetiere maßgeblich beeinflusst? · Halten sich Weidetiere in Gehölzen auf bzw. schädigen sie Gehölze? · Ist es sinnvoll, gemischtartige Herden einzusetzen? Die Rinder hielten sich während des gesamten Untersuchungszeitraums vornehmlich in feuchten, produktiveren Habitaten auf, während die Schafe trockene und nährstoffarme Lebensräume bevorzugten. Saisonale Unterschiede im Verhalten der Weidetiere lassen sich bedingt erkennen, doch führte die winterliche Nahrungsknappheit zunächst zu einer noch intensiveren Beweidung der grundsätzlich bevorzugten Lebensräume. In erster Linie wurde die Raumnutzung der Weidetiere von Weideeinrichtungen bestimmt. Die Raumnutzung der Rinder war insbesondere abhängig von der Wasserverfügbarkeit eines Standorts, während die Schafe bevorzugt in der Nähe ihres Unterstandes weideten. Aufgrund der ausschlaggebenden Bedeutung von Weideeinrichtungen wie Tränken, Ställen und Zäunen, sollte deren Positionierung zentraler Bestandteil von Planungen zukünftiger Weidelandschaften sein. Schafe spielten bei der Eindämmung des Birkenaufwuchses eine weitaus bedeutendere Rolle als Rinder. Weißdorne wurden von den Weidetieren in der Regel nicht letal geschädigt. Deutlicher als jahreszeitliche Verhaltensunterschiede waren Verhaltensunterschiede zwischen Rindern und Schafen. Erst die komplementären Raumansprüche der beiden Arten führten zu einer Nutzung aller Lebensräume der Weidelandschaft. Eine extensive Beweidung vorausgesetzt, erscheint die gemischtartige Beweidung mit Rindern und Schafen geeignet für die Pflege und Erhaltung halbnatürlicher Landschaften.
Polyzyklische Aromatische Verbindungen (PAV) im Grundwasser teerölkontaminierter Altlastenstandorte
(2010)
Es wurde das Grundwasser von sieben verschiedenen mit teerölkontaminierten Altlastenstandorten in Deutschland (Stuttgart, Düsseldorf, Wülknitz, Lünen, Offenbach, Karlsruhe) und Österreich (Brunn am Gebirge) untersucht. 45 Einzelverbindungen, darunter PAK, NSO(hetero)-PAV sowie Derivate und Metabolite der PAK und PAV, konnten dabei in signifikanten Konzentrationen nachgewiesen werden. Für alle betrachteten Standorte ergab sich ein vergleichbares Schadstoffmuster. Allein 22 Verbindungen konnten für alle Standorte nachgewiesen werden. Die Identifizierung und Quantifizierung der PAK und PAV erfolgte mittels flüssig-flüssig-Extraktion und an-schließender GC-(EI)-MS Messung der Proben. Besonders zwei Standorte (Karlsruhe, Brunn a.G.) mit einer reaktiven Wand als Sanierungsverfahren wurden genauer betrachtet. Die Untersuchungen ergaben, dass es ab Inbetriebnahme der Anlagen mit Hilfe des reaktiven Reaktormaterials Aktivkohle über 10 Jahre möglich war, neben den hinlänglich bekannten EPA-PAK, auch die polareren, gut wasserlöslichen und in erhöhten Konzentrationen auftretenden NSO(hetero)-PAV sowie deren Derivate und Metabolite erfolgreich aus dem kontaminierten Grundwasserstrom zu entfernen.
Recently polyfluoroalkyl compounds (PFCs) were discovered as emerging persistentorganic pollutants. Because of their unique physicochemical properties due to theircombination of lipophilic and hydrophilic characteristics, PFCs have been widely used inmany consumer products, such as polymerisation aids, stain repellents on carpets, textiles, andpaper products for over 50 years. From the production and use of these products, PFCs can bereleased into the environment. Scientific concern about PFCs increased due to their globaldistribution and ubiquitous detection in the environment, especially in marine mammals.An analytical protocol was developed for the analysis of PFCs in water samples andvarious biological matrices. The samples were analysed for 40 PFCs plus 20 isotope-labelledinternal standards using high performance liquid chromatography/negative electrosprayionisation-tandem mass spectrometry (HPLC/(-)ESI-MS/MS). Furthermore, the analyticalquality of the laboratory has been approved in interlaboratory studies.In the first part of this Ph.D. thesis was investigated the occurrence, distribution patternand transportation mechanisms of PFCs in seawater. The rivers had a high influence on thedistribution of PFCs in offshore surface water in the German Bight, with decreasingconcentrations with increasing distance from the coast (see publication I). The research onthe spatial distribution of PFCs in coastal area is very important for the understanding of thetransportation and fate of PFCs in the marine environment. Furthermore, the longitudinal andlatitudinal distribution of PFCs in surface water of the Atlantic Ocean was investigated (seepublication II). The results indicate that trans-Atlantic Ocean currents caused the decreasingconcentration gradient from the Bay of Biscay to the South Atlantic Ocean and theconcentration drop-off close to the Labrador Sea. These data are very useful for globaltransportation models, in which industrial areas are considered as sources, and ocean watersas sinks of PFCs.The second part of this Ph.D. thesis examined the mechanisms and pathways of PFCs inharbor seals (Phoca vitulina) and their temporal trends in the German Bight. Firstly, thewhole body burden of PFCs and their tissue distribution (i.e., liver, kidney, lung, heart, blood,brain, muscle, thyroid, thymus, and blubber) was investigated in harbor seals (seepublication III). This study is relevant for calculation of the bioaccumulation potential ofthese compounds in marine mammals. Secondly, the temporal trends over the last decade andassociations between PFC concentration and the evidence of diseases, spatial distribution, ageand sex were evaluated in archived harbor seal livers (see publication IV). The results showsignificant declining concentrations of many PFCs indicating the replacement of these PFCsby shorter chained and less bioaccumulative compounds.Several studies were performed besides the main issue of the Ph.D. work. Firstly, watersamples were collected along the river Elbe into the North Sea to examine the distribution ofPFCs in the dissolved and particulate phase, their discharge into the North Sea, and theinfluence of waste water treatment plant effluents to the riverine mass flow. Furthermore,surface water samples were collected in the North Sea, Baltic Sea and Norwegian Sea, wherethe occurrence and spatial distribution between river estuaries, coastal waters, in brackish aswell as salt water, and open sea water were compared. Finally, within the frame of a researchstay at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan,the partitioning behaviour of PFCs between pore water and sediment in two sediment coresfrom Tokyo Bay was investigated.This Ph.D. thesis has improved our knowledge of the occurrence and distribution of PFCsin water and biota highlighting association between PFCs and pathological conditions,potential sources and sinks, spatial distribution, and changes in their pattern and long-termperspective trends.
Recent studies have confirmed that the aquatic ecosystem is being polluted with an unknown cocktail of pharmaceuticals, their metabolites and/or their transformation products (TPs). Although individual pharmaceuticals are typically present at low concentrations, their continuous input into the aquatic ecosystem and their toxic and persistent presence are the major environmental concerns. Therefore, it is necessary to assess the environmental risk caused by these aquatic pollutants. Data on exposure are required for quantitative risk assessment of parent compounds and their transformation products (TPs) and/or metabolites. Such data are mostly missing, especially for TPs, because of the non-availability of TPs and very often metabolites for experimental testing. Therefore, the application of different in silico tools for qualitative risk assessment can be used. Also, the presence of these micro-pollutants (active pharmaceutical ingredients, APIs) in the aquatic cycle are increasingly seen as a challenge to the sustainable management of water resources worldwide due to ineffective effluent treatment and other measures for their input prevention. Given the poor prognosis for effluent treatment (‘end of the pipe’ approach) for input prevention of APIs in the environment, it is necessary to focus on the ‘beginning of the pipe’ strategy. The very beginning of the pipe is the molecules themselves. Therefore, novel approaches are needed like designing greener pharmaceuticals, i.e. better biodegradable ones in the aquatic environment after their release. Therefore, the present research work focused on two important topics a) assessment of the environmental risk associated with the presence of highly prescribed drugs and their TPs; b) demonstrating the feasibility of the ‘benign by design’ concept for designing biodegradable drug derivatives, which will have the better biodegradability in the environment after their release. The present thesis includes four research articles (1-4) which address these approaches. The first article is about the qualitative environmental risk assessment using the example of transformation products formed during photolysis (photo-TPs) of Diatrizoic acid (DIAT). Photolysis is the chemical reaction in which the compound is broken down by photons and often in combination with hydroxyl radicals. Photolysis is the most common abatement process of micro-pollutants in the environment. The qualitative risk assessment of DIAT and selected photo-TPs was performed by the PBT approach (i.e. Persistence, Bioaccumulation and Toxicity), using chemical analysis, experimental biodegradation test assays, QSAR models with several different toxicological endpoints and in silico read-across approaches. The second article addresses a tiered approach of implementing green and sustainable chemistry principles for theoretically designing better biodegradable and pharmacologically potent pharmaceuticals derivatives. Photodegradation process coupled with LC-MSn analysis, biodegradability testing and in silico tools such as quantitative structure-activity relationships (QSAR) analysis and molecular docking proved to be a very significant approach for the preliminary stages of designing chemical structures that would fit into the ´benign by design´ concept in the direction of green and sustainable pharmacy. Metoprolol (MTL) was used as an example. The third article was also the conceptual framework to get new drug derivatives that are biodegradable in order to tackle the global challenge of micro-pollutants in the aquatic cycle. This study increased the knowledge about the role of the attachment of certain functionalities to the parent drug molecule for its biodegradability whilst conserving drug-likeness. This approach was in the past a totally neglected issue within drug development. Atenolol (ATL), a selective β1 blocker, was selected as an example to incorporate the additional attribute such as biodegradability into its molecular structure while conserving its substructures responsible for β adrenergic receptor blocker activity. In fourth article, the concept of designing green biodegradable pharmaceuticals has been proven through expanded experimental analysis setting out from the experiences collected as described in article two and three. This study could be considered as a more extensive feasibility study of rational design of green drug derivatives. The non-selective β-blocker Propranolol (PPL) was used as an example. The risk assessment study (Article #1) contributes in enhancing the existing knowledge about the life cycle and behavior (fate) of pharmaceuticals with a special focus on photo-TPs which are generally formed during advanced effluent treatment and enter as such into the environment. Based on the obtained results, the application of the in silico tools for qualitative risk assessment analysis increased knowledge space about the environmental fate of TPs in case of their non-availability for experimental testing. The benign by design studies (Article #2-4) were based on the knowledge and experience collected during the work on DIAT. It demonstrated the feasibility of a novel approach of designing comparatively better degradable and pharmacological potent derivatives through the implementation of ´green chemistry´ principles. However, the present approach is in the juvenile stage and further knowledge has to be collected beforehand for the full implementation of this approach into drug development.
Organophosphorus flame retardants and plasticizers (OPEs) have been utilized for decades as plasticizers and, to a lesser extent, as flame retardants in various consumer products to improve their material properties. The research presented in this thesis investigated the occurrence, distribution and transport of OPEs with a focus on the coastal and estuarine environment. Due to the wide range of physicochemical properties of OPEs, the environmental fate and behaviour of OPEs was investigated over a range of compartments, starting from the atmospheric occurrence to the aquatic phase and the behaviour in sediments. The aim was to gather information on the OPE contamination situation in the coastal and estuarine environments, to identify specific contamination patterns for source assessment and to investigate the distribution behaviour of OPEs between gas- and particle-phases to evaluate their environmental transport mechanism. To achieve these scientific goals, sensitive and robust chemical analytical methods for the detection and quantification of OPEs in a variety of environmental samples using gas-chromatography coupled with tandem mass spectrometry were developed. Water samples were removed along the Elbe and Rhine Rivers to test the hypothesis of whether specific point sources, such as wastewater treatment plants, are the major input pathways for OPE contamination in rivers. A total of 65 water samples, including an intensive measurement campaign during the flood event in 2013 at the Elbe, was taken and analysed for OPEs. No obvious point sources were identified along either of the rivers analysed. No significant increase or decrease in the OPE concentrations or a change in patterns were observed over a transect of over 300 km at the Elbe, with an increase in water discharge of 2.5. This finding suggested that the OPE input in large rivers is primarily driven by diffuse sources, such as surface runoff, or by minor point sources rather than local point sources. To examine the specific pattern of OPE contamination in individual rivers and estuaries, 37 sediment samples from 8 rivers in Europe and China were analysed. With this analytical data, a fingerprint analysis of the OPE patterns identified could be conducted. All the rivers investigated in Europe displayed a very similar fingerprint. In contrast, the fingerprint from China differed significantly from the one in Europe. For example, in China, the OPE restricted in Europe, Tris(2-chloroethly)phosphate, was found to be one of the major OPE components, while Tris(2-butoxyethyl) phosphate, a major compound in Europe, was negligible in China. The investigation showed that the fingerprinting analysis is a useful tool to identify different regions or characterize specific rivers regarding their OPE contamination. In addition, it could be shown that legislative restriction and processes have an impact on local or even EU-wide contamination patterns. At a coastal site next to the German city of Büsum, 58 air samples were taken over one year. Using the newly developed analytical method, it was possible to analyse the gas, as well as the particle phase, of the samples collected with very low detection limits for OPEs. In contrast to expectations, no annual trend in OPE concentrations, phase distributions or patterns was observed, but the investigation of the phase distribution challenged the previous scientific consensus that OPEs occur as primarily bound to particles in the atmosphere. Several compounds were detected in significant amounts in the gas phase. To validate these novel results, a model analysis based on the chemical properties of OPEs was conducted using three different phase distribution models. The results from the environmental data were strongly supported by the simulations, and the formal knowledge could be refuted. Consequently, the atmospheric transport assumptions and estimations about the long-range transport of OPEs have to be reassessed because compounds in the gas phase undergo other types of transport degradation and elimination mechanisms than particle-boundones. The novel findings presented in this thesis challenged an important aspect regarding the perceived scientific knowledge about the behaviour of OPEs in the environment and call on the scientific community to reassess the environmental behaviour of OPEs. The insights presented on the patterns highlight the impact of environmental policies and regulatory mechanisms to work towards the final goal of a good environmental status and the avoidance of adverse effects of discarded chemicals on humans and the environment.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine umfangreiche chemische Charakterisierung der Grundwasserbelastung an vier teerbelasteten Altlaststandorten und in angrenzenden Fließgewässern durchgeführt. Darüber hinaus wurde in diesem Zusammenhang auch die Reinigungsleistung von zwei Funnel & Gate Systemen mit Aktivkohle überprüft. Neben den typischen Verbindungen wie den BTEX, PAK und Phenolen lag der Fokus dabei auf der Analytik der NSO-Heterocyclen (NSO-HET), die sich durch eine zum Teil erheblich gesteigerte Wasserlöslichkeit von den homocyclischen Verbindungen unterscheiden. Weiterhin wurde die Adsorbierbarkeit der NSO-HET auf Aktivkohle in Form von Batch- und Säulenversuchen untersucht. Erhaltene Adsorptionsisothermen wurden nach Freundlich ausgewertet und zur Validierung mit Ergebnissen der Säulenversuche verglichen. Insgesamt wurden analytische Verfahren zur Quantifizierung von 100 Verbindungen, darunter 40 NSO-HET, aus wässrigen und festen Proben über Headspace GC-FID, HPLC-DAD/FLD, GC-MS und LC-MSMS entwickelt. Zur Analyse im ng l-1 Bereich wurde ein SPE-Extraktionsverfahren angewendet, welches nach einer Fraktionierung des Probenextraktes die Vorteile der GC-MS und LC-MSMS Analytik kombiniert. An allen vier untersuchten Standorten konnten sehr hohe Konzentrationen aromatischer Verbindungen nachgewiesen werden. Darunter sind im Besonderen auch Vertreter der NSO-HET wie z.B. 1-Benzothiophen und Dibenzofuran. Abgesehen von Carbazol konnten allgemein jedoch nur geringe Konzentrationen der N-HET quantifiziert werden. Nahezu alle Verbindungen des Substanzspektrums wurden im Grundwasser der Standorte gefunden. In den angrenzenden Fließgewässern wurde ein eindeutiger Eintrag der Verbindungen erkannt, die auch im Uferbereich der Standorte in hohen Konzentrationen vorlagen. Hierzu gehören neben den PAK wie z.B. Acenaphthen, Naphthalin und 1-Methylnaphthalin auch die Heterocyclen 1-Benzothiophen und Dibenzofuran. Die Ergebnisse unterstreichen damit die Bedeutung von heterocyclischen Verbindungen an teerbelasteten Altlaststandorten. Der Eintrag wurde an einem Standort in Form von Frachtberechnungen quantifiziert und beträgt in Summe ca. 5 kg/Jahr. Gegenüber der Hintergrundbelastung wird damit in der wässrigen Phase eine Zunahme der Gesamtfracht an aromatischen Verbindungen in Höhe von ca. 50 % verursacht. Vergleichsweise hohe Konzentrationen der N-HET und hier im Besonderen für Acridin und 2-Methylchinolin wurden in den zwei untersuchten Fließgewässern bestimmt. Die Altlaststandorte besitzen jedoch keinen Einfluss auf die Konzentrationen dieser Verbindungen und müssen demnach auf andere Quellen zurückzuführen sein. Diesbezüglich wurden Zusammenhänge zwischen Acridin und dem Arzneistoff Carbamazepin in explorativen Messungen untersucht und diskutiert. Adsorptionsisothermenparameter sind für insgesamt 24 Verbindungen beschrieben und wurden für 2-Methylchinolin auch bei verschiedenen pH-Werten erfasst. Die Ergebnisse der Batchversuche stehen in guter Übereinstimmung mit den Säulenversuchsdaten. Neben artifiziellen Lösungen wurde hier auch ein Säulenlauf mit Realwasser eines Altlaststandortes durchgeführt. Im Allgemeinen zeigen die N-HET und O-HET im Vergleich mit den verwandten Homocyclen eine geringere Adsorbierbarkeit. Das geringste Adsorptionspotential unter den untersuchten Verbindungen wurde jedoch für monocyclische Verbindungen wie Phenol und Benzol gefunden. Für beide Funnel & Gate Systeme konnte eine hervorragende Reinigungsleistung von über 99% bezüglich des erfassten Grundwassers bestätigt werden. Gegenüber den Zulauf-konzentrationen wurden im Ablauf keine nennenswerten Konzentrationen quantifiziert.
The emission of anthropogenic trace substances into the aquatic environment continuously poses challenges to water suppliers. The contamination of raw waters with organic trace substances requires complex water treatment processes to secure drinking water quality. The routine monitoring of these raw waters as well as the behavior and fate of organic trace substances during different treatment processes is of great interest to recognize and counter potential dangers at an early stage. Non-target screening using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS) allows the detection of thousands of compounds within a single run and covers known as well as unknown substances. Compared to the established analytical techniques, this is a decisive advantage for the monitoring of raw and process waters during water treatment. While the analytical technique LC-HRMS has undergone significant developments in recent years, the algorithms for data processing reveal clear weaknesses. This dissertation therefore deals with reliable processing strategies for LC-HRMS data. The first part of this work seeks to highlight the problematics of false positive and false negative findings. Based on repeated measurements, various strategies of data processing were assessed with regard to the repeatability of the results. To ensure that real peaks were barely or not removed by the filtering procedure, samples were spiked with isotope-labeled standards. The results emphasize that the processing of sample triplicates results in sufficient repeatability and that the signal fluctuation across the triplicates emerged as a powerful filtering criteria. The number of false positives and false negatives could be significantly reduced by the developed strategies which consequently improve the validity of the data. The second part of this thesis addresses the development of processing strategies particularly aimed at assessing water treatment processes. The detected signals were tracked across the treatment process and classified based on their fold changes. A more reliable signal classification was achieved by implementing a recursive integration approach. Special integration algorithms allow a reliable signal classification even though the signal to be compared was below the intensity threshold. Different combinations of replicates of process influents and effluents were processed for evaluating the repeatability. The good repeatability was indicated by the results of both the plausibility checks and the ozonation process (ozonation of pretreated river water) and thus points to high reliability. The applicability of the developed strategies to real world applications is demonstrated in the last part of this work. Besides the prioritization of the generated results, the main focus was the identification of recognized compounds. The developed strategies clearly improve the validity of the underlying data. The combination of LC-HRMS analysis with reliable processing strategies opens up multiple possibilities for a more comprehensive monitoring of water resources and for the assessment of water treatment processes. The processing strategies and validation concepts may be easily transferred to other research fields.
The objective of the work described in this thesis is to improve our understanding of factors that affect the depletion of gaseous elemental mercury (GEM) from the atmosphere during the Arctic springtime. This was accomplished through research undertaken and described in three publications. Atmospheric mercury depletion events (AMDEs) are now an established phenomenon in the high Arctic whereby the long-lived GEM is oxidized in the air through a series of photochemically-initiated reactions involving halogens and ozone. This chemistry produces reactive gaseous mercury (RGM) and particulate bound mercury (PHg) which both have shorter atmospheric residence times than GEM and deposit more readily to the snow and ice surfaces. This is a means by which mercury can be transferred from the atmosphere to the Arctic environment that was unknown prior to 1995 when AMDEs were discovered. An extensive review paper was completed that summarizes mercury work in the high Arctic in the ten years following the discovery of AMDEs. This review was followed by two papers investigating the processes around atmospheric mercury in the Arctic springtime
Die wiederholte Exposition des Menschen gegenüber inhalierten oxidativen Noxen unterschiedlicher Genese ist ein wesentlicher Faktor bei der Entstehung umweltinduzierter Erkankungen. Zu diesen Noxen gehört neben arbeitsplatzbezogenen Noxen in Form aggressiver Gase und Partikel insbesondere der inhalative Zigarettenrauch (aktiv wie passiv) als Hauptschadstoffbelastung im Innenraumbereich. Das aktive Rauchen, und in geringerem Maße das Passivrauchen, können die Entstehung einer chronisch-obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) bewirken. Über die genannten Noxen hinaus kann die Entwicklung der Erkrankung durch andere Umwelt- und Verhaltensfaktoren begünstigt werden. Eine pathophysiologisch bedeutsame Komponente der COPD ist das Lungenemphysem. Es ist durch eine Zerstörung der alveolären Strukturen gekennzeichnet, die sich im Verlust der elastischen Spannung der Lunge und ihrer Gasaustauschfähigkeit widerspiegelt. Da Fibroblasten eine Schlüsselrolle in der Aufrechterhaltung der Struktur der Lunge spielen, fokussierte die vorliegende Arbeit auf umweltinduzierte Veränderungen im Verhalten dieses Zelltyps. Sie ging von der Beobachtung aus, dass Raucher häufig Zeichen einer vorgezogenen Alterung aufweisen, dass oxidative Noxen Zellen in Kultur in einen gealterten Zustand versetzen können, dass gealterte Zellen eine geringere Bereitschaft zur Zellteilung zeigen und dass die Erkrankung Zeichen eines autonomen Progresses aufweist, der nicht alleine durch akute Entzündung erklärt werden kann. Daraus ergab sich die Hypothese, dass parenchymale, d.h. dem alveolären Bereich entstammende Fibroblasten der Lunge Zeichen einer vorgezogenen Alterung (Seneszenz) im Vergleich zu den Zellen von Rauchern ohne Lungenemphysem aufweisen. Derartige Änderungen hätten die Störung der Regeneration der Lunge und somit einen Gewebeabbau im Verlauf der Jahre zur Folge. Im Rahmen dieser Arbeit sollte somit geklärt werden, (1) ob und wie sich das Wachstum der Fibroblasten beim Lungenemphysem von demjenigen der Kontrollzellen unterscheidet, (2) ob der Phänotyp der Fibroblasten von Patienten mit Emphysem Zeichen einer vorzeitigen Alterung aufweist, (3) welche für eine zelluläre Seneszenz möglicherweise relevanten Gene unter den standardisierten Bedingungen der Kultur eine dauerhaft veränderte Expression aufweisen. Auf dieser Basis wurden Lungenfibroblasten aus Operationsresektaten von Patienten mit und ohne Emphysem untersucht. Die Charakterisierung der aus Explantaten gewonnenen Kulturen umfasste zunächst eine Reinheitsbestimmung der Zellkulturen. Hierbei ergab sich, dass in der zweiten Passage nach Primärkultur die Fibroblasten nahezu in Reinkultur vorlagen. Sodann wurde die Zellteilungsrate der Fibroblastenkulturen in beiden Gruppen während der exponentiellen Wachstumsphase quantifiziert. Es wurde eine signifikant verminderte Verdopplungsrate der Fibroblasten von Patienten mit Emphysem beobachtet. Da die Zellen im Abstand von 5-6 Wochen von der Entnahme untersucht wurden, ließ sich schließen, dass die Fibroblasten der Patienten mit Emphysem intrinsisch verändert waren und nicht akuter inflammatorischer Reize bedurften, um sich anders als die Kontrollzellen zu verhalten. Gealterte Zellen unterscheiden sich von nicht gealterten Zellen nicht nur durch eine geringere Teilungsrate, sondern auch durch eine geringere maximale Zahl von Teilungen. 2 Daher wurde in Langzeitkulturen untersucht, ob die langsamere Proliferation beim Emphysem mit einer geringeren proliferativen Kapazität einhergeht bzw. ob die Fibroblasten bei genügend großer zur Verfügung stehender Zeit die gleiche maximale Zahl von Teilungen erreichen, wie die Kontrollzellen. Die Unterschiede der initialen Steigung der Zellteilungskurven waren gleichsinnig zu den in den Kurzzeitversuchen beobachteten Unterschieden. Der Median der maximalen Zahl der Populationsverdopplungen bis zur Stagnation des Wachstums in serieller Passage lag bei den Zellen der Patienten mit Emphysem um ca. 6 Verdopplungen niedriger, wenn auch wegen der großen Streuung innerhalb der Gruppen der Unterschied nicht statistisch signifikant war. Die Analyse der initialen Form der Kurven ergab ebenfalls eine Verschiebung um 6 Verdopplungen bei den Zellen der Patienten mit Emphysem. Dieser Befund bestätigte die Annahme, dass die verminderte Proliferationsrate der Lungenfibroblasten von Patienten mit Emphysem persistierende, intrinsische Änderungen widerspiegelte. Als phänomenologischer Indikator der Zellalterung wurde im nächsten Schritt die Expression der Seneszenz-assoziierten beta-Galaktosidase untersucht. In der Tat fand sich in den Zellen der Patienten mit Lungenemphysem eine signifikant stärkere Aktivität dieses Enzyms, im Sinne einer zellulären Seneszenz. Die Validität dieses Nachweises konnte mittels serieller Anfärbungen bestätigt werden. Einer chronologischen zellulären Alterung liegt i.a. als zentraler Mechanismus die Verkürzung der am Ende der Chromosomen befindlichen Telomeren zugrunde, die als Abwärtszähler der verbleibenden Zellteilungskapazität fungieren. Daher wurden mit Hilfe einer immunologischen Technik die Telomerenlängen vergleichend untersucht. Die Telomerenlängen waren nicht zwischen den Gruppen verschieden und die Wahrscheinlichkeit eines dennoch bestehenden Unterschiedes konnte auf einen Wert von weniger als 5 % berechnet werden. Daher scheint die beobachtete reduzierte Proliferationsrate auf Telomeren-unabhängigen Mechanismen zu beruhen; dies spricht stärker für den Typ einer durch Noxen induzierten als einer chronologischen Seneszenz. Um einen Überblick über die Mechanismen zu gewinnen, die eine derartige Form der Seneszenz charakterisieren, wurde mit Hilfe eines 12.000 Gene umfassenden cDNA-Arrays (Genchip) die Expression (mRNA) einer für das Genom repräsentativen Menge von Genen in Zellkultur exploriert. Eine Auswahl der auf diese Weise qualitativ identifizierten Gene wurde dann in unabhängig angezogenen Zellkulturen mit Hilfe der quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR) auf ihre Expression hin überprüft. Der explorative cDNA-Array wurde mit zusammengefassten Proben jeweils dreier Fibroblastenkulturen von Patienten mit und ohne Emphysem durchgeführt; er zeigte summarisch eine größere Zahl ab- als aufregulierter Gene beim Emphysem. Die im Array beobachteten Unterschiede der Genexpression zwischen den Gruppen konnten in der qPCRUntersuchung für die bekanntermaßen Seneszenz-assoziierten Gene IGFBP-3 und IGFBPrP1 bestätigt werden, die beim Emphysem signifikant aufreguliert vorlagen. Beide Gene codieren für Proteine, die die Effekte von Insulin und Insulin-artigen Faktoren steuern. Eine unterschiedliche Expression anderer Gene, die nach Literaturbefunden mit zellulärer Seneszenz assoziiert sind und im Array in der Regel unterschiedlich ausgeprägt gefunden wurden, ließ sich in der qPCR nicht bestätigen; dies betraf FOSL1, LOXL2, OAZ1, CDK4, IGFBP-5, - rP2 (CTGF) und -rP4 (Cyr61). Da eine unterschiedliche Genexpression nicht notwendigerweise eine unterschiedliche Proteinsynthese nach sich zieht, wurde zusätzlich die Proteinmenge von IGFBP-3 im Überstand der Zellkulturen analysiert. In Übereinstimmung mit den Expressionsbefunden fand sich IGFBP-3 vermehrt bei Fibroblasten, die von Patienten mit Emphysem stammten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass parenchymale Lungenfibroblasten von Patienten mit Lungenemphysem eine verminderte Proliferationsrate und -kapazität besitzen. In Verbindung mit den Daten der Anfärbung für einen zellulären Seneszenzmarker spricht dies für das Vorliegen eines seneszenten zellulären Phänotyps beim Emphysem. Die Tatsache, dass einerseits die Änderungen in Kultur persistierten und dass andererseits kein Unterschied der Telomerenlängen bestand, legt eine durch epigenetische Mechanismen vermittelte induzierte Seneszenz der Zellen nahe. Die mittels gestaffelter Analyse der Genexpression gefundene Aufregulation von anti-proliferativen Proteinen der Insulinachse wie IGFBP-3 und IGFBP-rP1 in Lungenfibroblasten von Patienten mit Emphysem erlaubt es darüber hinaus, eine Verbindung zwischen dem lokalen Verhalten von Strukturzellen und systemischen, über Insulin und insulinartige Wachstumsfaktoren vermittelten Änderungen zu schlagen. Diese Daten sind neuartig und erscheinen hilfreich für das Verständnis der Pathogenese des Lungenemphysems. Da sie modellhaft das Ergebnis einer chronischen Belastung mit einer Noxe auf Zellen widerspiegeln, ist anzunehmen, dass der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz und die diesen Ansatz bestätigenden Daten auch für das Verständnis anderer, durch Umwelt und/oder Verhalten induzierter Erkrankungen förderlich sind.
Um das noch bestehende Reichweitenproblem von Elektrofahrzeugen zu lösen, sind Fahrzeugkonzepte wie Plug-in Hybridfahrzeuge sehr vielversprechend, sofern mit ihm überwiegend im Batteriebetrieb gefahren wird. Sie kombinieren die Vorteile des Verbrennungsmotors und des Elektromotors, sodass das lokale Emissionsproblem in Ballungszentren gelöst werden kann, ohne dass der Kunde dabei auf die Reichweite verzichten muss. Wenn das Fahrzeug allerdings überwiegend für Kurzstrecken genutzt wird, sind alterungsbedingte Veränderungen des Kraftstoffes möglich, da dieser länger im Tank verbleibt als üblich. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur sensorischen Bestimmung der Qualität des Kraftstoffes vorgestellt. Hierzu wurde ein Prototyp entwickelt, in dem mithilfe des Real- und Imaginärteils der Permittivität alternde Kraftstoffe erkannt werden können. Dabei konnte durch das frequenzabhängige Permittivitätssignal des Sensors spezifisch zwischen nieder- und hochmolekularen Oxidationsprodukten in Kraftstoffen unterschieden werden. Da das Verbrennungs- und Emissionsverhalten des Motors von der Kraftstoffmischung vorgegeben ist, bietet eine zusätzliche sensorische Erfassung der Kraftstoffzusammensetzung weitere Optimierungspotenziale, um Emissionen zu reduzieren: So ist das Motormanagement im Fahrzeug zumeist auf Referenzkraftstoffe mit gleichbleibender Qualität abgestimmt. Variable Kraftstoffzusammensetzungen, die durch die Erdöllagerstätte und den zusätzlichen Konversionsverfahren zur Herstellung von fortschrittlichen Kraftstoffen vorgegeben sind, werden in dieser Anpassungsstrategie bisher nicht berücksichtigt. Als weitere Aufgabe wird in dieser Arbeit daher ein multisensorischer Ansatz verfolgt, wonach zusätzlich zur Kraftstoffalterung noch die Kraftstoffzusammensetzung erkannt werden kann. Insgesamt bietet die Sensorik das Potenzial zur kontinuierlichen Kraftstoffüberwachung in Plug-in Hybridfahrzeugen, um so einen Beitrag zum sicheren und nachhaltigen Betrieb solcher Fahrzeuge gewährleisten zu können.