Europa-Univ. Viadrina, Diss.--Frankfurt/Oder, 2002.

Am Beispiel einer realen, gealterten Bodenprobe eines ehemaligen Schwelereistandortes wurde die Schadstoffentfernung mit nahe- und überkritischem Wasser untersucht. In einer umgebauten Nassoxidationsanlage wurden die Untersuchungen zur Extraktion der Proben mit Wasser bei 300°C, 340°C und 400°C sowie bei Volumenströmen des Extraktionsmittels von 5, 10 und 15 ml/min durchgeführt. Es zeigte sich, dass höhere Extraktionstemperaturen und größere Strömungsgeschwindigkeiten zur besseren Reinigung der Proben führten. Mit überkritischem Wasser konnte insbesondere für die gewählten Modellsubstanzen bis zu 50 % mehr Substanz aus dem Boden herausgewaschen werden als mit der herkömmlichen Lösemittelextraktion, die als Vergleichsextraktion herangezogen wurde. Durch die Zugabe eines Oxidationsmittels zum überkritischen Wasser konnten die Schadstoffe direkt an der Bodenmatrix zerstört werden. Ein zweifelsfreier Einfluss z.B. der Korngröße auf den Extraktionserfolg war nicht erkennbar.

Die Arbeit befasst sich mit der Anwendung der dielektrischen Erwärmung mittels Radiowellen auf unterschiedlichen Gebieten der Umwelttechnik. Im Mittelpunkt stehen die Aufheizung von Schüttbetten aus Adsorbenzien und Katalysatoren sowie die thermisch unterstützte Reinigung kontaminierter Böden und Feststoffe, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Einsatzes bei in-situ-Sanierungsvorhaben. Aus stofflicher Sicht wurde die Erwärmung technisch relevanter Feststoffe wie Aktivkohlen, Molekularsieben (Zeolithen) und anderer Katalysatoren ebenso wie die Behandlung von Modellböden und realen Bodenproben untersucht. Die durchgeführten physikalisch-chemischen Grundlagenuntersuchungen bezogen sich vor allem auf die Fragen, inwiefern sich die Radiowellen-Erwärmung von konventionellen Heizmethoden unterscheidet, ob und unter welchen Bedingungen eine selektive Erwärmung einzelner Feststoffkomponenten (z.B. Katalysatorkomponenten oder Partikel) möglich ist und welchen Einfluss der Wassergehalt und die Temperatur auf den Energieeintrag, den Schadstofftransport sowie den Prozess der Schadstoffdesorption besitzen. Der verfahrenstechnische Aspekt der Arbeit umfasst die Entwicklung der Methode der Radiowellen-Erwärmung vom Labor- bis in den Feldmaßstab, die Entwicklung und den Test eines praxistauglichen und automatisierten Systems zur Feststofferwärmung, die simultane Anwendung mehrerer Frequenzen elektromagnetischer Felder zur optimierten Erwärmung mit größerer Temperaturhomogenität, die Erprobung unterschiedlicher Elektrodengeometrien sowie die Durchführung von Sanierungsvorhaben mit Modellcharakter.

Gegenstand vorliegender Arbeit ist die Untersuchung unterschiedlicher Modellansätze zur Beschreibung der Extraktion organischer Schadstoffe aus Böden unter Verwendung von überkritischem Wasser. Dazu wurden in der Literatur vorhandene Stofftransportmodelle herangezogen und eigene Modellansätze entwickelt. Das Modell berücksichtigt die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung im Reaktor und berechnet daraus, in Abhängigkeit der desorptiven, diffusiven und konvektiven Stofftransportvorgänge eine Schadstoffverteilung. Zur Lösung der Modellgleichungen wurde FEMLAB 3.1 verwendet. Zur Parameterbestimmung und Modellüberprüfung wurden Extraktionsversuche an real kontaminierten Böden und an künstlich kontaminierten Modellböden durchgeführt. Einfache und komplexe chemische Gleichgewichte der organischen Schadstoffe wurden auf Basis der Gibbs Energetik mit FACTSAGE 5.2 ermittelt und dienten als weitere Inputparameter für die Modellberechnungen.

Mit Mineralölkohlenwasserstoffen (MKWs) kontaminierte Böden stellen ein weitverbreitetes Umweltproblem dar. Da Böden ein wertvolles Schutzgut darstellen und nur über lange Zeit erneuerbar sind, existieren verschiedenste Sanierungsmaßnahmen, um den Boden wieder nutzbar zu machen. Die off-site Sanierung in Form von Bodenmieten ist dabei die am häufigsten angewendete Sanierungsmethode. Bei diesem Verfahren werden die Mieten, um eine optimale Sauerstoff- und Nährstoffversorgung der autochtonen Mikroflora zu gewährleisten, während des gesamten Sanierungsprozesses belüftet und ggf. zu Beginn mit Mineraldünger versetzt. Die Zugabe von Fremdorganismen mit entsprechendem Abbaupotential führte in solchen Fällen meist nicht zu einem gesteigerten Sanierungserfolg. Die zu einem Zeitpunkt gegebene Abbauaktivität der Organismen kann über die Messung der Temperatur im Mieteninneren abgeschätzt werden. Ansonsten werden Bodenreinigungsverfahren hinsichtlich der Mikrobiologie bisher als "black box" betrieben. Da bisher noch wenig über die mikrobielle Diversität aktiver Bodenmieten und das im Boden vorhandene Abbaupotential bekannt ist, sollte die Anwendung molekulargenetischer Methoden Aufschluss darüber geben. Die Charakterisierung der aktiven Mikroflora erfolgte zunächst durch die Klonierung der cDNA der 16S rRNA, da durch die 16S rRNA fast ausschließlich Mikroorganismen mit aktiver Proteinsynthese nachgewiesen werden. Die dabei als häufig charakterisierten Gattungen wurden über den gesamten Sanierungsverlauf mittels Membranhybridisierung quantifiziert. Die DNA-Sonden dafür wurden entweder selbst entworfen oder aus der Literatur übernommen. Der Nachweis des Abbaupotentials erfolgte anhand der Gene für die Schlüsselenzyme Alkan-Hydroxylase (AlkB) und Catechol-2,3-Dioxygenase (C23O). Die Quantifizierung der Abbaugene wurde auf DNA-Ebene mit Hilfe der kompetitiven PCR mit einem internen Standard durchgeführt. Das in der Arbeit untersuchte Bodenmaterial stammt aus dem Teerverarbeitungswerk Rositz. Es standen davon drei Mieten mit unterschiedlicher Konzentration an MKW zur Verfügung. Das Material von Rositz 3 wurde über den gesamten Sanierungsverlauf beprobt. Eine Probe der aktiven Miete Rositz 3 wurde zur Diversitätsanalyse herangezogen. Die Mieten Rositz 1 und Rositz 2 sowie das Mietenausgangsmaterial der Tanklager Grimma und Espenhain dienten zu Vergleichsuntersuchungen. Mit der verwendeten Methode zur Nukleinsäure-Extraktion war es möglich, gleichzeitig die RNA und die DNA einer Probe zu erhalten. Die nach Aufschluss mit Glaskugeln erhaltenen sequentiellen Extrakte 1 und 2/3 wurden getrennt voneinander weiter untersucht. Im 1. Aufschluss wurden vermutlich bevorzugt die Mikroorganismen extrahiert, die sich an der Oberfläche der Bodenpartikel befanden, und im 2./3. die aus dem Innern der Bodenpartikel. Die Sequenzierung der SSU rRNA zeigte eine relativ hohe Diversität der Mikroflora, wobei allerdings beide Klonbanken der sequentiellen Nukleinsäureextrakte von den Gammaproteobakterien, besonders von Pseudomonaden dominiert wurden. Die Dominanz der Gammaproteobakterien kann auf das Phänomen des ‚gamma-shifts’ zurückgeführt werden. Aufgrund der hohen MKW-Konzentration im Bodenmaterial, was für die zum Abbau fähigen Bakterien ein hohes Substratangebot darstellt, fand möglicherweise eine Anreicherung der Gammaproteobakterien statt. Alpha- und Betaproteobakterien stellten ebenfalls zwei weitere große Gruppen in den Klonbanken dar. Die erhaltenen Sequenzen waren häufig ähnlich zu denen von kultivierten Mikroorganismen, bildeten in den Dendrogrammen jedoch eigene Cluster, wobei die ähnlichsten Sequenzen meist aus Bodenuntersuchungen stammen. Eine Ausnahme stellen dabei die zu den gefundenen Betaproteobakterien ähnlichen Sequenzen dar. Sie waren vor allem in aquatischen Ökosystemen dominierend. Interessant war, dass manche Gattungen, wie Sphingomonaden oder Zymomonas spp. nur in einem der beiden sequentiellen RNA-Extrakte nachgewiesen werden konnten. Gattungen, wie Acidovorax spp., konnten in beiden Extrakten detektiert werden, wobei die Sequenzen der einzelnen sequentiellen Extrakte im Dendrogramm häufig separate Cluster bildeten. Für alle detektierten Gattungen sind Vertreter bekannt, die in der Lage sind, Bestandteile von MKW abzubauen. Der Vergleich der Sequenzen zeigte, dass der Schadstoffbau hauptsächlich an der Oberfläche der Bodenpartikel stattfinden muss, da viele ähnliche Sequenzen des 2./3. Aufschlusses unter mikroaeroben Bedingungen gefunden wurden. Für die Quantifizierung der dominierenden Gattungen mittels Membranhybridisierung konnten Sonden für Pseudomonas, Sphingomonas, Acinetobacter und Acidovorax aus der Literatur übernommen werden. Auf der Basis der Sequenzdaten wurden für die Gattungen Rhodoferax, Thiobacillus und für die zum Klon TRS13 ähnlichen Sequenzen drei neue "Rositz"–Sonden entwickelt. Im 1. Extrakt war der Anteil der einzelnen Gattungen in den meisten Fällen jeweils höher als im 2./3. Extrakt. Sphingomonaden und Thiobacillen konnten in allen Phasen des Abbauprozesses nachgewiesen werden. Alle anderen genannten Gattungen waren zumeist nur zu Beginn und während des frühen aktiven Schadstoffabbaus detektierbar. Es konnte dabei ein besonders hoher Anteil an Sphingomonaden, Pseudomonaden und Rhodoferax spp. nachgewiesen werden. Das Verschwinden der Pseudomonaden nach der schnellen Abbauphase, d.h. nach dem Abbau der gut bioverfügbaren Schadstoffe, ist ein bekanntes Phänomen. Schlecht bioverfügbare Verbindungen werden wahrscheinlich von anderen Gattungen abgebaut, die aber in dieser Arbeit nicht identifiziert worden sind. Die drastische Änderung der mikrobiellen Gemeinschaft wurde in dieser Form nicht erwartet. Die Schadensfälle Rositz 1 und Rositz 2 wiesen einen geringeren Anteil an Pseudomonaden auf als Rositz 3. Am Ende des Sanierungsprozesses konnten in diesen beiden Mieten auch noch mehr von den detektierten Gattungen nachgewiesen werden. Die Gattung Acinetobacter konnte nur zu Beginn der Sanierung und der aktiven Phase der Miete Rositz 1 detektiert werden, was möglicherweise auf ein Sondenproblem zurückzuführen ist. Die ausgewählten Abbaugene konnten in relativ konstanter Menge über den gesamten Abbauprozess im Bodenmaterial von Rositz 1 und Rositz 3 nachgewiesen werden. In der Miete Rositz 2 war die Kopienzahl der Abbaugene zu Beginn der Sanierung geringer als im aktiven Bodenmaterial, was die Entwicklung der abbauenden Gemeinschaft während des Sanierungsprozesses zeigt. Die Kopienzahl für AlkB lag in allen Fällen deutlich über denen für C23O. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass im Schadensfall Rositz die Alkane den Hauptteil der Kontamination ausmachten. In den meisten Fällen wurde im 1. Extrakt eine höhere Kopienzahl für AlkB und C23O nachgewiesen als im 2./3. Extrakt. Anhand der verwendeten Nachweismethode lässt sich also schlussfolgern, dass sich die meisten zum MKW-Abbau fähigen Mikroorganismen auf der Oberfläche der Bodenpartikel befanden. Trotz unterschiedlicher MKW-Ausgangskonzentration und Sanierungsdauer unterschieden sich die Schadensfälle Grimma und Espenhain kaum in der ermittelten Kopienzahl für AlkB und C23O sowie im Anteil der nachgewiesenen Gattungen. Es sind auch nur geringe Unterschiede zu den Rositz-Mieten erkennbar. In den zu sanierenden Böden liegt ein ausreichend hohes Abbaupotential vor. Der limitierende Faktor für eine erfolgreiche Sanierung scheint demzufolge die ausreichende Sauerstoffversorgung der zum Abbau befähigten Mikroorganismen zu sein.

Mit Mineralölkohlenwasserstoffen (MKWs) kontaminierte Böden stellen ein weitverbreitetes Umweltproblem dar. Da Böden ein wertvolles Schutzgut darstellen und nur über lange Zeit erneuerbar sind, existieren verschiedenste Sanierungsmaßnahmen, um den Boden wieder nutzbar zu machen. Die off-site Sanierung in Form von Bodenmieten ist dabei die am häufigsten angewendete Sanierungsmethode. Bei diesem Verfahren werden die Mieten, um eine optimale Sauerstoff- und Nährstoffversorgung der autochtonen Mikroflora zu gewährleisten, während des gesamten Sanierungsprozesses belüftet und ggf. zu Beginn mit Mineraldünger versetzt. Die Zugabe von Fremdorganismen mit entsprechendem Abbaupotential führte in solchen Fällen meist nicht zu einem gesteigerten Sanierungserfolg. Die zu einem Zeitpunkt gegebene Abbauaktivität der Organismen kann über die Messung der Temperatur im Mieteninneren abgeschätzt werden. Ansonsten werden Bodenreinigungsverfahren hinsichtlich der Mikrobiologie bisher als "black box" betrieben. Da bisher noch wenig über die mikrobielle Diversität aktiver Bodenmieten und das im Boden vorhandene Abbaupotential bekannt ist, sollte die Anwendung molekulargenetischer Methoden Aufschluss darüber geben. Die Charakterisierung der aktiven Mikroflora erfolgte zunächst durch die Klonierung der cDNA der 16S rRNA, da durch die 16S rRNA fast ausschließlich Mikroorganismen mit aktiver Proteinsynthese nachgewiesen werden. Die dabei als häufig charakterisierten Gattungen wurden über den gesamten Sanierungsverlauf mittels Membranhybridisierung quantifiziert. Die DNA-Sonden dafür wurden entweder selbst entworfen oder aus der Literatur übernommen. Der Nachweis des Abbaupotentials erfolgte anhand der Gene für die Schlüsselenzyme Alkan-Hydroxylase (AlkB) und Catechol-2,3-Dioxygenase (C23O). Die Quantifizierung der Abbaugene wurde auf DNA-Ebene mit Hilfe der kompetitiven PCR mit einem internen Standard durchgeführt. Das in der Arbeit untersuchte Bodenmaterial stammt aus dem Teerverarbeitungswerk Rositz. Es standen davon drei Mieten mit unterschiedlicher Konzentration an MKW zur Verfügung. Das Material von Rositz 3 wurde über den gesamten Sanierungsverlauf beprobt. Eine Probe der aktiven Miete Rositz 3 wurde zur Diversitätsanalyse herangezogen. Die Mieten Rositz 1 und Rositz 2 sowie das Mietenausgangsmaterial der Tanklager Grimma und Espenhain dienten zu Vergleichsuntersuchungen. Mit der verwendeten Methode zur Nukleinsäure-Extraktion war es möglich, gleichzeitig die RNA und die DNA einer Probe zu erhalten. Die nach Aufschluss mit Glaskugeln erhaltenen sequentiellen Extrakte 1 und 2/3 wurden getrennt voneinander weiter untersucht. Im 1. Aufschluss wurden vermutlich bevorzugt die Mikroorganismen extrahiert, die sich an der Oberfläche der Bodenpartikel befanden, und im 2./3. die aus dem Innern der Bodenpartikel. Die Sequenzierung der SSU rRNA zeigte eine relativ hohe Diversität der Mikroflora, wobei allerdings beide Klonbanken der sequentiellen Nukleinsäureextrakte von den Gammaproteobakterien, besonders von Pseudomonaden dominiert wurden. Die Dominanz der Gammaproteobakterien kann auf das Phänomen des ‚gamma-shifts’ zurückgeführt werden. Aufgrund der hohen MKW-Konzentration im Bodenmaterial, was für die zum Abbau fähigen Bakterien ein hohes Substratangebot darstellt, fand möglicherweise eine Anreicherung der Gammaproteobakterien statt. Alpha- und Betaproteobakterien stellten ebenfalls zwei weitere große Gruppen in den Klonbanken dar. Die erhaltenen Sequenzen waren häufig ähnlich zu denen von kultivierten Mikroorganismen, bildeten in den Dendrogrammen jedoch eigene Cluster, wobei die ähnlichsten Sequenzen meist aus Bodenuntersuchungen stammen. Eine Ausnahme stellen dabei die zu den gefundenen Betaproteobakterien ähnlichen Sequenzen dar. Sie waren vor allem in aquatischen Ökosystemen dominierend. Interessant war, dass manche Gattungen, wie Sphingomonaden oder Zymomonas spp. nur in einem der beiden sequentiellen RNA-Extrakte nachgewiesen werden konnten. Gattungen, wie Acidovorax spp., konnten in beiden Extrakten detektiert werden, wobei die Sequenzen der einzelnen sequentiellen Extrakte im Dendrogramm häufig separate Cluster bildeten. Für alle detektierten Gattungen sind Vertreter bekannt, die in der Lage sind, Bestandteile von MKW abzubauen. Der Vergleich der Sequenzen zeigte, dass der Schadstoffbau hauptsächlich an der Oberfläche der Bodenpartikel stattfinden muss, da viele ähnliche Sequenzen des 2./3. Aufschlusses unter mikroaeroben Bedingungen gefunden wurden. Für die Quantifizierung der dominierenden Gattungen mittels Membranhybridisierung konnten Sonden für Pseudomonas, Sphingomonas, Acinetobacter und Acidovorax aus der Literatur übernommen werden. Auf der Basis der Sequenzdaten wurden für die Gattungen Rhodoferax, Thiobacillus und für die zum Klon TRS13 ähnlichen Sequenzen drei neue "Rositz"–Sonden entwickelt. Im 1. Extrakt war der Anteil der einzelnen Gattungen in den meisten Fällen jeweils höher als im 2./3. Extrakt. Sphingomonaden und Thiobacillen konnten in allen Phasen des Abbauprozesses nachgewiesen werden. Alle anderen genannten Gattungen waren zumeist nur zu Beginn und während des frühen aktiven Schadstoffabbaus detektierbar. Es konnte dabei ein besonders hoher Anteil an Sphingomonaden, Pseudomonaden und Rhodoferax spp. nachgewiesen werden. Das Verschwinden der Pseudomonaden nach der schnellen Abbauphase, d.h. nach dem Abbau der gut bioverfügbaren Schadstoffe, ist ein bekanntes Phänomen. Schlecht bioverfügbare Verbindungen werden wahrscheinlich von anderen Gattungen abgebaut, die aber in dieser Arbeit nicht identifiziert worden sind. Die drastische Änderung der mikrobiellen Gemeinschaft wurde in dieser Form nicht erwartet. Die Schadensfälle Rositz 1 und Rositz 2 wiesen einen geringeren Anteil an Pseudomonaden auf als Rositz 3. Am Ende des Sanierungsprozesses konnten in diesen beiden Mieten auch noch mehr von den detektierten Gattungen nachgewiesen werden. Die Gattung Acinetobacter konnte nur zu Beginn der Sanierung und der aktiven Phase der Miete Rositz 1 detektiert werden, was möglicherweise auf ein Sondenproblem zurückzuführen ist. Die ausgewählten Abbaugene konnten in relativ konstanter Menge über den gesamten Abbauprozess im Bodenmaterial von Rositz 1 und Rositz 3 nachgewiesen werden. In der Miete Rositz 2 war die Kopienzahl der Abbaugene zu Beginn der Sanierung geringer als im aktiven Bodenmaterial, was die Entwicklung der abbauenden Gemeinschaft während des Sanierungsprozesses zeigt. Die Kopienzahl für AlkB lag in allen Fällen deutlich über denen für C23O. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass im Schadensfall Rositz die Alkane den Hauptteil der Kontamination ausmachten. In den meisten Fällen wurde im 1. Extrakt eine höhere Kopienzahl für AlkB und C23O nachgewiesen als im 2./3. Extrakt. Anhand der verwendeten Nachweismethode lässt sich also schlussfolgern, dass sich die meisten zum MKW-Abbau fähigen Mikroorganismen auf der Oberfläche der Bodenpartikel befanden. Trotz unterschiedlicher MKW-Ausgangskonzentration und Sanierungsdauer unterschieden sich die Schadensfälle Grimma und Espenhain kaum in der ermittelten Kopienzahl für AlkB und C23O sowie im Anteil der nachgewiesenen Gattungen. Es sind auch nur geringe Unterschiede zu den Rositz-Mieten erkennbar. In den zu sanierenden Böden liegt ein ausreichend hohes Abbaupotential vor. Der limitierende Faktor für eine erfolgreiche Sanierung scheint demzufolge die ausreichende Sauerstoffversorgung der zum Abbau befähigten Mikroorganismen zu sein.

Gegenstand vorliegender Arbeit ist die Untersuchung unterschiedlicher Modellansätze zur Beschreibung der Extraktion organischer Schadstoffe aus Böden unter Verwendung von überkritischem Wasser. Dazu wurden in der Literatur vorhandene Stofftransportmodelle herangezogen und eigene Modellansätze entwickelt. Das Modell berücksichtigt die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung im Reaktor und berechnet daraus, in Abhängigkeit der desorptiven, diffusiven und konvektiven Stofftransportvorgänge eine Schadstoffverteilung. Zur Lösung der Modellgleichungen wurde FEMLAB 3.1 verwendet. Zur Parameterbestimmung und Modellüberprüfung wurden Extraktionsversuche an real kontaminierten Böden und an künstlich kontaminierten Modellböden durchgeführt. Einfache und komplexe chemische Gleichgewichte der organischen Schadstoffe wurden auf Basis der Gibbs Energetik mit FACTSAGE 5.2 ermittelt und dienten als weitere Inputparameter für die Modellberechnungen.

In the studied Kagera region (NW Tanzania), smallholder banana-coffee-based farming systems developed over hundreds of years. To this day, they traditionally consist of four components: the older and younger homegardens (kibanja and kikamba in the local Bantu language), woodland (kabira), and grassland (rweya). The management of organic farm waste has played an essential role in maintaining soil fertility, diversity, and agricultural productivity in these agroforestry systems. However, rapid population growth since Tanzania’s independence in the 1960s, an influx of refugees in the 1990s, and accompanying environmental degradation have shaped large parts of the study region. As a result, farm sizes, crop yields, and food security have declined, soils and farming systems have degraded, and impoverishment has increased. The overall objective of this study was to investigate whether degraded homegardens can be transformed back into multifunctional, sustainable, and fertile agroforestry systems through sustainable organic farm waste management. Organic farm waste embraced crop and tree residues, kitchen and food waste including cooking ash (as inorganic residue), livestock manure and urine, animal bones, as well as human faeces and urine. The objective was subdivided into three targets and related research foci: (1) to understand the status quo of organic farm waste management in the research area, (2) to evaluate modification options for sustainable banana-coffee-based systems, and (3) to evaluate an optimisation of organic farm waste management to increase agricultural production. An interview of 150 smallholder households on the current availability and uses of organic farm waste was conducted (1). The survey encompassed geographical variables, economic data, and household and agricultural information relating to the Water-Soil-Waste Nexus and the Water-Energy-Food Nexus. A farm household typology was constructed to categorise the farm households according to their biomass production and use of organic farm waste. Five focus group discussions were held in a local farmer field school to evaluate training on sustainable land use management (2). The farmer field school had trained about 750 farm households in de-graded banana-coffee-based farming systems in the last two decades. Also here, a typology construction of trained farm households was created. Both typologies were compared to each other. Nutrient cycles of the homegardens of trained and untrained farm house-holds were calculated (3) using the following scenarios: S0: business as usual; S1: the use of 80% of the available human urine; S2: the incorporation of 0.5 t yr-1 of the herbaceous legume species Crotalaria grahamiana into the soil; S3: the production of 5 m3 yr-1 of CaSa-compost (human excreta and biochar) and its application on 600 m2 of land; and S4: a combination of S1, S2, and S3. Results revealed that integrated organic farm waste management still plays a key role in farm nutrient and soil fertility management in these farming systems, but to a lower extent than in the past (status quo). Smallholder farmers that apply organic farm waste to their fields – using in situ, pit, ring-hole, and mixed composting techniques – have higher yields. However, the knowledge on waste management – traditionally passed on from generation to generation – has declined. Today, only one-third of these households earn a reasonable living from their agricultural products. Female-led households with a high age-dependency ratio and farmers with problematic socio-economic backgrounds continue to be the most vulnerable to food insecurity. In comparison, the implementation of training on sustainable land-use management has considerably improved farmers’ livelihoods. Successfully implemented knowledge on sustainable soil and farm nutrient management, including the modification of composting techniques, afforestation, selection of appropriate crop and tree species, improved labour allocation and time management, agricultural record-keeping, as well as gender-responsive communication and decision-making, has led to a transition: from degraded agricultural to multifunctional agroforestry systems. However, also here, one-third of the trained farmers has hardly transformed at all and has remained vulnerable to difficulties with food security, income diversification, and access to education. Comparing the nutrient balance between the homegardens of untrained and trained households, the homegardens of trained households are more likely to have a positive nutrient balance than those of untrained ones. Although untrained households would improve the nutrient balance under all management scenarios, their nutrient balances do not actually turn positive, especially not for nitrogen. Besides, nutrient cycles in the homegardens of all households remain ‘open’ because farmers currently import nutrients from the surrounding area, e.g., through fodder from the grassland. To overcome this dependency, short-term nutrient deficiencies might be alleviated with a precise application of mineral fertiliser and by fostering zero grazing. However, limited access to mineral fertiliser, labour-intensive manure collection and compost production against a background of land scarcity, labour shortage, prolonged dry seasons, and socio-economic imbalances, remain major challenges. To conclude, action needs to be taken and supporting policies and regulations need to be developed, e.g., on the safe use of organic farm waste and wastewater in smallholder agriculture to contribute towards achieving key Sustainable Development Goals of the United Nations. The relevant goals are Goal 2 (Zero hunger), Goal 7 (Affordable and clean energy), and Goal 15 (Life on land). None of the un-trained smallholder households lives under the conditions that these goals intend to prescribe. Only one-third of the trained farming households is one step closer to achieving these targets. To counteract this, a roadmap may serve as a starting point for future initiatives to develop coherent policies and science-based guidelines.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 298 / Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme haben eine lange Tradition in Ostafrika. In der Kagera-Region im Nordwesten Tansanias entwickelten sich über Jahrhunderte hinweg ertragreiche Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme in kleinbäuerlicher Landwirtschaft. Die Böden der Hausgärten waren durch die kontinuierliche Zugabe von kompostierten organischen Abfällen dunkel, humusreich und fruchtbar. Jedoch verlor dieses nachhaltige Agroforstsystem in der Kagera-Region in den letzten 50 Jahren zunehmend an Bedeutung. Die Gründe dafür waren in erster Linie der rasche Anstieg der Bevölkerung seit der Unabhängigkeit Tansanias in den 1960er-Jahren sowie der Zustrom von Flüchtlingen in den 1990er-Jahren. Beides führte zu einer Erhöhung der Nachfrage nach Nahrungsmitteln, Baumaterial und Brennholz, die noch immer wichtigste Energiequelle zum Kochen mit einhergehender Degradierung, massiver Entwaldung sowie nachlassender Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit und das Auslassen notwendiger Brachzeiten und Gründungen. Infolgedessen wurden den Böden über fünf Jahrzehnte mehr Nährstoffe entzogen als zugefügt, was zu einer Abnahme der Bodenfruchtbarkeit führte. Die Ernteerträge aller ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen sind zurückgegangen und die Böden sowie die Vegetation der Hausgärten sind teilweise stark degradiert. Seitdem sind die Ernährungssicherheit und der Wohlstand der lokalen Bevölkerung sowie die für Tansanias Wirtschaft wichtigen Exporte von Bananen (Musa L.) und Kaffee (Coffea canephora L. var. robusta) aus der Kagera-Region gefährdet. Ziel dieser Dissertation war es, zu untersuchen, ob der jetzigen Degradierung der Hausgärten, die für die Ernährungssicherung der Bevölkerung entscheidend sind, durch eine erneute, stärkere und nachhaltige Einbindung organischer Abfälle entgegengewirkt werden kann und so wie einst multifunktionale, nachhaltige und fruchtbare Agroforstsysteme entstehen können. Dieses Ziel wurde in drei untergeordnete Ziele unterteilt: (1) das Verständnis des Ist-Zustandes des organischen Abfallmanagements im Forschungsgebiet, (2) die Untersuchung von Modifikationsmöglichkeiten für nachhaltige Bananen-Kaffee-basierte Agrarforstsysteme sowie (3) die Evaluierung der Optimierungsmöglichkeiten des organischen Abfallmanagements zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion. Für jedes Ziel wurde eine Forschungsfrage entwickelt: (1) Inwieweit werden die organischen Abfälle bereits genutzt (Ist-Zustand) und kann abgeschätzt werden, ob das momentane Abfallmanagement ausreicht, um die Bodenfruchtbarkeit und die Produktion von Nahrungsmitteln und Energieträgern zu erhöhen und damit die Armut zu reduzieren; (2) Ob und wie das derzeitige Management organischer Abfälle verbessert werden könnte, um die Bodenfruchtbarkeit und die Biomasseproduktion zu erhöhen; (3) Ob und wie negative Nährstoffbilanzen in positive umgewandelt werden können, wenn das organische Abfallmanagement in den Anbausystemen optimiert und verbessert in den landwirtschaftlichen Stoffkreislauf integriert werden würde. Zur Beantwortung der ersten Frage wurden 150 kleinbäuerliche Haushalte zu ihrer aktuellen landwirtschaftlichen Produktion, der Verfügbarkeit und Aufbereitung von organischen Abfällen sowie deren Verwendung im Anbau der wichtigsten ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen befragt. Die Befragung umfasste geografische und ökonomische Daten sowie haushaltsbezogene und landwirtschaftliche Informationen in Bezug auf den Wasser-Boden-Abfall-Nexus und den Wasser-Energie-Nahrungsmittel-Nexus. Mit den erhobenen Daten wurde eine expertenbasierte Typologie der befragten Haushalte erstellt, um diese nach ihrer Biomasseproduktion sowie der Nutzung von organischen Abfällen zu kategorisieren. Bezüglich der zweiten Frage wurden fünf Fokusgruppendiskussionen mit den Ausbildern und Ausbilderinnen einer lokalen Bauernschule durchgeführt, die in den vergangenen zwei Jahrzehnten mehr als 700 kleinbäuerliche Haushalte in nachhaltiger Landwirtschaft schulten. Dabei wurde ebenfalls eine expertenbasierte Typologie der geschulten Haushalte erstellt. Beide Haushaltstypologien wurden hingehend ihrer Biomasseproduktion, organischen Abfallnutzung und Wohlstandes miteinander verglichen. Im Rahmen der dritten Fragestellung wurden die Nährstoffkreisläufe der Hausgärten von geschulten und nicht geschulten Bauernhaushalten analysiert. Dabei wurden folgende Szenarien berücksichtigt: S0: der normale Betrieb ohne Änderungen (Ist-Zustand); S1: die Nutzung von 80 % des verfügbaren menschlichen Urins; S2: die Einarbeitung von 0,5 Tonnen pro Jahr der krautigen Leguminosenart Crotalaria grahamiana in den Boden; S3: die Produktion von jährlich 5 Kubikmetern CaSa-Kompost, bestehend aus menschlichen Ausscheidungen und Biokohle, und dessen Ausbringung auf 600 Quadratmetern in den Hausgärten; und S4: eine Kombination aus S1, S2 und S3. Entsprechende Daten wurden der Literatur entnommen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einbindung organischer Abfälle auch in degradierten Bananen-Kaffee-basierten Anbausystemen noch immer eine Schlüsselrolle im Nährstoff- und Bodenfruchtbarkeitsmanagement spielt, jedoch zu einem niedrigeren Ausmaß als noch vor 50 Jahren. An Bedeutung verlor dabei auch die traditionelle Weitergabe des Wissens über Kompostierung durch erschwerte sozio-ökonomische Bedingungen. Generell wurde festgestellt, dass Kleinbauernfamilien, die organische Abfälle auf ihren Feldern ausbringen, höhere landwirtschaftliche Erträge erzielen. Das Potenzial zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit wird dabei jedoch aktuell nicht vollständig ausgeschöpft, und nur ein Drittel der herkömmlichen kleinbäuerlichen Haushalte erzielt einen den Lebensumständen annähernd angemessenen Lebensunterhalt (Ist-Zustand). Ein weiteres Drittel der ungeschulten Haushalte nutzt organische Dünger zu einem geringeren Ausmaß und erzielt deswegen und wegen weiterer Schwächen im landwirtschaftlichen Management geringere Ernteerträge. Sie sind damit stärker armutsgefährdet als die erstgenannte Gruppe. Jedoch sind v. a. Haushalte, die von alleinerziehenden Frauen geführt werden (ebenfalls ein Drittel der befragten Haushalte), am stärksten von Ernährungsunsicherheit und Armut betroffen. Dabei spielen problematische, sozio-ökonomische Hintergründe eine erschwerende Rolle. Um das Ausmaß dieser Armutsspirale zu verringern, entwickelte eine lokale Bauernschule eine umfangreiche Ausbildung im Bereich nachhaltiger Landwirtschaft. Die erfolgreiche Implementierung der Ausbildung in die eigene Produktion hat die Lebensgrundlage von mindestens einem Drittel der geschulten Bauernhaushalte deutlich verbessert. Erfolgreich umgesetztes Wissen haben dazu geführt, dass degradierte Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme sich zunehmend zu multifunktionalen Agroforstsystemen entwickeln. Hierdurch hat sich nur für ein Drittel der ausgebildeten Bauern bereits die Lage signifikant verbessert. Ein weiteres Drittel befindet sich noch in dem Transformationsprozess. Ihre Erträge bleiben jedoch unter denen der ersten Gruppe. Die dritte Gruppe innerhalb der geschulten Bauernhaushalte konnte das erworbene Wissen wiederum nicht oder nur kaum in die Praxis umsetzen. Diese Gruppe bleibt in Bezug auf Ernährungssicherheit, Einkommens-diversifizierung und Zugang zu Bildung stark vulnerabel. Im Vergleich der Nährstoffbilanzen der Hausgärten zwischen den geschulten und den ungeschulten Bauernhaushalten zeigen erstere eher eine positive Nährstoffbilanz als letztere. Obwohl sich die Nährstoffbilanzen der Felder ungeschulter Haushalte unter allen Managementszenarien verbessern würden, würden sie jedoch noch negativ bleiben, insbesondere für Stickstoff. Darüber hinaus sind die Nährstoffkreisläufe in den Hausgärten aller Familien nicht geschlossen, da ein Großteil der Nährstoffe aus der Umgebung importiert wird, z. B. durch die Verwendung von Futtermittel aus dem umliegenden Grasland.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 298

Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Mineralölkohlenwasserstoffe (MKW) sind weitverbreitete Schadstoffe, deren Schädlichkeit für Mensch, Tier und Umwelt bekannt ist. In den letzten Jahren wird verstärkt versucht, innovative Prinzipien, wie den Anbau von Pflanzen, für die Bioremediation zu entwickeln und zur Sanierung kontaminierter Böden einzusetzen. Dazu müssen die komplexen Prozesse zwischen Rhizosphären und Rhizosphäremikroorganismen in kontaminierten Böden untersucht werden. Diese Arbeit untersucht einen diesbezüglichen Teil-aspekt, den Einfluß von PAK und MKW auf Streptomyces spp. in Rhizosphären von Sinapis alba L., Vicia sativa L., Medicago sativa L., Lolium multiflorum Lam. und Avena sativa L. und im unbewachsenen Boden in Gewächshausversuchen. Zusätzlich sind die isolierten Streptomyceten auf ihre Fähigkeit zur PAK-Verwertung getestet worden. Die Ergebnisse geben Hinweise zur Weiterentwicklung und Steuerung von Bioremediationsverfahren. / Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) and mineral oil hydrocarbon (polycyclic organic matter - POM) are widespread pollutants, and they're known to be harmful to humans, animals and the environment. Since the last years it was tried intensivly, to develop innovative principles for biore-mediation, for example the cultivation of plants, and their use for the degradation of contaminated soils. For that purpose the complex processes between rhizospheres and microorganisms of rhizo-spheres in contaminated soils have to be investigated. This study examinates a part of this aspect: The influence of PAH and POM on Streptomyces spp. in rhizospheres of Sinapis alba L., Vicia sativa L., Medicago sativa L., Lolium multiflorum Lam. and Avena sativa L., and in mere soil without plants in greenhouse experiments. In addition, the isolated Streptomycetes were tested on their ability to metabolise PAH. The results presented are directions for the developement and the control of bioremediative methods.