Werden im 21. Jahrhundert die Kriege um Wasser geführt? Von dieser Frage ausgehend diskutiert der Artikel das Konflikt- und Kooperationspotenzial an grenzüberschreitenden Flüssen. Welche Anreize gibt es für Kooperation und was führt zu Konflikten? Den theoretischen Überlegungen werden Erfahrungen an der Elbe sowie am Jordan gegenübergestellt.

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Antibiotics have been one of the greatest scientific discoveries for humanity. Their great success has been hindered by the increasing of antibiotic resistance events. Conventional wisdom considers antibiotic resistance as a strictly clinical issue. In reality, more and more studies have proven that non-clinical environments, especially aquatic environments, are critical factors for the spread of antibiotic resistance. Antibiotic resistance genes (ARGs) are usually located on mobile genetic elements, which can disseminate among taxonomically unconnected species. Therefore, environmental bacteria can serve as hotspots for the development and dissemination of antibiotic resistance. The aim of this thesis is to determine how human originated pollution affects the antibiotic resistance abundance in the surrounding water environments. The case studies were three example environments, wastewater treatment plants (WWTPs), receiving river bodies and combined sewer overflows (CSOs). Molecular microbiology methods have been applied to analyse the resistance levels of bacterial communities from WWTP, CSOs and wastewater affected environments at different European geographical locations. Additionally, a novel approach consisting in an amplicon sequencing is described, in order to be able to investigate and asses the composition of a significant amount of integron gene cassettes. Findings consistently indicate that effluents originated from WWTPs and CSOs have a significant impact on the levels of ARGs of the receiving water bodies. Moreover, this thesis suggests that gene blaOXA-58, could be utilized as a proxy to investigate the spread of ARGs. Its occurrence has been reported to show, consistently throughout the chapters, lower concentrations upstream, but at higher concentrations in the WWTP effluent, CSOs and downstream of the effluent. In conclusion, although antibiotic resistance genes and integrons are part of the environmental resistome, water environments that are affected by anthropogenic wastewater display high levels of the above-mentioned genetic elements. These findings clearly suggest the need to limit pollution levels, as well as the need to establish a more responsible policy in antibiotic prescriptions. This must take place in order to be able to perform efficient risk assessments and to establish acceptable levels of antibiotic and ARGs pollution.:List of Figures VII List of Tables IX List of Abbreviations X 1. Introduction 11 1.1 Antibiotic resistance: an increasing problem 11 1.2 Intrinsic antibiotic resistance and horizontal gene transfer 13 1.2.1 Transformation 13 1.2.2 Transduction 13 1.2.3 Conjugation 14 1.3 Gene transfer elements 14 1.4 Antibiotic resistance and anthropogenic impact on surrounding environments 16 1.5 Study goals 17 2. Genetic variations of the resistome of wastewater treatment plants driven by the seasonality of antibiotic prescription 18 2.1 Introduction 18 2.2 Materials and methods 19 2.3 Results and discussion 20 3. Assessment of inter-laboratory variations of quantitative analyses of antibiotic resistance genes 27 3.1 Introduction 27 3.2 Materials and methods 27 3.3 Results and discussion 30 3.4 Conclusions 36 4. Antibiotic resistance genes in treated wastewater and in the receiving water bodies: A pan-European survey of urban settings 37 4.1 Introduction 37 4.2 Materials and methods 38 4.3 Results 44 4.4 Discussion 49 4.5 Conclusions 53 5. Analysis of integron gene cassettes composition in treated wastewater 55 5.1 Introduction 55 5.2 Materials and methods 55 VI 5.3 Results 56 5.4 Discussion 57 6. Role of combined sewer overflows in the dissemination of antibiotic resistance in surrounding environments 59 6.1 Introduction 59 6.2 Materials and methods 60 6.3 Results 61 6.4 Discussion 66 7. Closing Conclusions 68 References 70 List of publications 88 Note on the commencement of the doctoral procedure 89 Acknowledgments 90

Die toxische Wirkung von Kationen ist verantwortlich für eine Reihe biologischer und pathologischer Erscheinungen. Zu den übergreifenden Zielen des Gesamtvorhabens wurden als wissenschaftliche Arbeiten i) die Analyse, graphische Darstellung und darauf basierende Gewichtung spezifischer genomischer Promotor-Regionen, ii) die Verarbeitung, Auswertung und genomweite Analyse von Mikro-Array Experimenten über die Auswirkung verschiedener Schwermetalle auf S. cerevisiae, iii) Mitarbeit an einer Simulations-Umgebung mit Modulen zur Digitalisierung, Präsentation, Analyse und mathematischer Modellierung der räumlichen Verteilung biologisch relevanter Moleküle sowie iv) ein Ansatz zur Modellierung der Kationen-Homöostase unter Verwendung der Theorie der Nichtgleichgewichts Thermodynamik beigetragen. Im Vordergrund der bioinformatorischen Arbeiten stand dabei der iterative Prozess, in dem verfügbare experimentelle Ergebnisse in aussagefähige Modelle oder Anwendungen übertragen wurden und die Resultate der Modellierung oder Vorhersage wiederum in neue entsprechende Experimente umgesetzt wurden. Die Anwendungsumgebung zur Promotoranalyse sowie die Simulationsumgebung zur räumlichen Verteilung biologisch relevanter Moleküle wie zum Beispiel markierte Signalmoleküle wurde bereits veröffentlicht und erfolgreich eingesetzt. Die Ergebnisse der genomweiten Analyse liefern Erkenntnisse über die individuellen Mechanismen und Strategien der Hefe auf verschiedene Metallionen in toxischer Konzentration zu reagieren. Der theoretische biophysikalisch-thermodynamische Ansatz liefert ein fundamentales Modell der Kationen-Homöostase der zahlenmäßig bedeutendsten Kationen: Kalium, Natrium und Protonen. Das Modell wurde an experimentellen Daten getest und konnte diese reproduzieren. Entsprechende Perspektiven für die Weiterentwicklung des Modells werden diskutiert. / Cationic toxicity is relevant for a number of qualitatively different biological and medical phenomena such as cationic surfactants, salt and heavy metal stress in plants and a number of pathological conditions which share similar critical metabolic processes (i.e. protein aggregation and oxidative stress). In line with the overall project goals the scientific work contributed to i) the analysis, graphical presentation and the respective assessment of specific genomic promoter-regions, ii) the conversion, evaluation and genome wide analysis of micro-array experiments on the effects of exposition of S. cerevisiae to heavy metals, iii) a simulation environment comprising modules for digitalization, presentation, analysis and mathematical modeling of the spatio-temporal distribution of biologically relevant molecules, and iv) a cation homeostasis modeling approach based on the non-linear thermodynamics theory. The bioinformatical work focused on an iterative process in which available experimental results were transferred into meaningful models or applications and results of modeling or prediction into corresponding new experimental designs. The software for the promoter-analysis and the simulation environment for integration of spatio-temporal distribution of biologically relevant molecules like labeled signal molecules have already been published and successfully implemented.The results of the genome-wide analysis - based on experiments of a project partner - provide insights in the individual mechanisms and strategies of the yeast cell upon exposition to various (heavy) metals in toxic concentrations. The theoretical biophysical-thermodynamic approach provides a fundamental model of cation homeostasis in S.cerevisiae of the major cations: potassium, sodium and protons. The model - confronted with experimental data - is capable to reproduce the observed uptake rates to a reasonable degree. Perspectives for further development of the model are discussed.

Modern organizations produce and collect large volumes of data, that need to be processed repeatedly and quickly for gaining business insights. For such processing, typically, Data-intensive Flows (DIFs) are deployed on distributed processing frameworks. The DIFs of different users have many computation overlaps (i.e., parts of the processing are duplicated), thus wasting computational resources and increasing the overall cost. The output of these computation overlaps (known as intermediate results) can be materialized for reuse, which helps in reducing the cost and saves computational resources if properly done. Furthermore, the way such outputs are materialized must be considered, as different storage layouts (i.e., horizontal, vertical, and hybrid) can be used to reduce the I/O cost. In this PhD work, we first propose a novel approach for automatically materializing the intermediate results of DIFs through a multi-objective optimization method, which can tackle multiple and conflicting quality metrics. Next, we study the behavior of different operators of DIFs that are the first to process the loaded materialized results. Based on this study, we devise a rule-based approach, that decides the storage layout for materialized results based on the subsequent operation types. Despite improving the cost in general, the heuristic rules do not consider the amount of data read while making the choice, which could lead to a wrong decision. Thus, we design a cost model that is capable of finding the right storage layout for every scenario. The cost model uses data and workload characteristics to estimate the I/O cost of a materialized intermediate results with different storage layouts and chooses the one which has minimum cost. The results show that storage layouts help to reduce the loading time of materialized results and overall, they improve the performance of DIFs. The thesis also focuses on the optimization of the configurable parameters of hybrid layouts. We propose ATUN-HL (Auto TUNing Hybrid Layouts), which based on the same cost model and given the workload and characteristics of data, finds the optimal values for configurable parameters in hybrid layouts (i.e., Parquet). Finally, the thesis also studies the impact of parallelism in DIFs and hybrid layouts. Our proposed cost model helps to devise an approach for fine-tuning the parallelism by deciding the number of tasks and machines to process the data. Thus, the cost model proposed in this thesis, enables in choosing the best possible storage layout for materialized intermediate results, tuning the configurable parameters of hybrid layouts, and estimating the number of tasks and machines for the execution of DIFs. / Moderne Unternehmen produzieren und sammeln große Datenmengen, die wiederholt und schnell verarbeitet werden müssen, um geschäftliche Erkenntnisse zu gewinnen. Für die Verarbeitung dieser Daten werden typischerweise Datenintensive Prozesse (DIFs) auf verteilten Systemen wie z.B. MapReduce bereitgestellt. Dabei ist festzustellen, dass die DIFs verschiedener Nutzer sich in großen Teilen überschneiden, wodurch viel Arbeit mehrfach geleistet, Ressourcen verschwendet und damit die Gesamtkosten erhöht werden. Um diesen Effekt entgegenzuwirken, können die Zwischenergebnisse der DIFs für spätere Wiederverwendungen materialisiert werden. Hierbei müssen vor allem die unterschiedlichen Speicherlayouts (horizontal, vertikal und hybrid) berücksichtigt werden. In dieser Doktorarbeit wird ein neuartiger Ansatz zur automatischen Materialisierung der Zwischenergebnisse von DIFs durch eine mehrkriterielle Optimierungsmethode vorgeschlagen, der in der Lage ist widersprüchliche Qualitätsmetriken zu behandeln. Des Weiteren wird untersucht die Wechselwirkung zwischen verschiedenen peratortypen und unterschiedlichen Speicherlayouts untersucht. Basierend auf dieser Untersuchung wird ein regelbasierter Ansatz vorgeschlagen, der das Speicherlayout für materialisierte Ergebnisse, basierend auf den nachfolgenden Operationstypen, festlegt. Obwohl sich die Gesamtkosten für die Ausführung der DIFs im Allgemeinen verbessern, ist der heuristische Ansatz nicht in der Lage die gelesene Datenmenge bei der Auswahl des Speicherlayouts zu berücksichtigen. Dies kann in einigen Fällen zu falschen Entscheidung führen. Aus diesem Grund wird ein Kostenmodell entwickelt, mit dem für jedes Szenario das richtige Speicherlayout gefunden werden kann. Das Kostenmodell schätzt anhand von Daten und Auslastungsmerkmalen die E/A-Kosten eines materialisierten Zwischenergebnisses mit unterschiedlichen Speicherlayouts und wählt das kostenminimale aus. Die Ergebnisse zeigen, dass Speicherlayouts die Ladezeit materialisierter Ergebnisse verkürzen und insgesamt die Leistung von DIFs verbessern. Die Arbeit befasst sich auch mit der Optimierung der konfigurierbaren Parameter von hybriden Layouts. Konkret wird der sogenannte ATUN-HL Ansatz (Auto TUNing Hybrid Layouts) entwickelt, der auf der Grundlage des gleichen Kostenmodells und unter Berücksichtigung der Auslastung und der Merkmale der Daten die optimalen Werte für konfigurierbare Parameter in Parquet, d.h. eine Implementierung von hybrider Layouts. Schließlich werden in dieser Arbeit auch die Auswirkungen von Parallelität in DIFs und hybriden Layouts untersucht. Dazu wird ein Ansatz entwickelt, der in der Lage ist die Anzahl der Aufgaben und dafür notwendigen Maschinen automatisch zu bestimmen. Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass das in dieser Arbeit vorgeschlagene Kostenmodell es ermöglicht, das bestmögliche Speicherlayout für materialisierte Zwischenergebnisse zu ermitteln, die konfigurierbaren Parameter hybrider Layouts festzulegen und die Anzahl der Aufgaben und Maschinen für die Ausführung von DIFs zu schätzen.

Europäische große Flüsse wurden über Jahrhunderte entscheidend verändert und zu Wasserstraßen für die Schifffahrt ausgebaut. Flussregulierung, Begradigung und Hochwasserschutz tragen zu multiplen Stressoren bei, wobei die Schifffahrt bislang keine Beachtung als potentieller zusätzlicher Einflussfaktor (Stressor) fand. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit befasste sich mit der Rolle der Schifffahrt zwischen multiplen Stressoren und deren Auswirkungen auf die Fischgemeinschaften großer Flüsse. Hierzu wurde die „Large River Fish Database“ (LRDB), ein weltweit einzigartiger Datensatz zusammengestellt, der 2693 Befischungen an 358 Probestellen in 16 europäischen großen Flüssen enthält. Die Probestellen sind durch verschiedene Einflussfaktoren (Stressoren) und Schiffsverkehr beschrieben. Um ein für große Flüsse repräsentatives Abbild der Fischgemeinschaften zu erhalten, wurden zunächst die angewendeten Fischfangmethoden analysiert. Mit der Elektrofischerei wurden die höchsten Fischdichten und die höchste Biodiversität erfasst. Die Elektrofischerei ist daher für eine repräsentative Erfassung der Fischgemeinschaften großer Flüsse geeignet und wurde für weitere Analysen ausgewählt. Die kommerzielle Frachtschifffahrt trat als einer der einflussreichsten Stressoren hervor, zusammen mit erhöhter Fließgeschwindigkeit und dem Verlust von Überschwemmungsflächen. Dichten von insbesondere Habitat-sensitiven Fischen sanken bereits ab acht Frachtschiffen pro Tag signifikant ab. Darüberhinaus hatte auch die Freizeitschifffahrt (Flusskreuzfahrten und motorisierte Sportboote) deutliche und zu Frachtschiffen unterscheidbare ökologische Konsequenzen. Die Wirkungen der Schifffahrt sind ebenso verheerend wie die der hydromorphologischen Degradierung und benötigen eine gesonderte Beachtung im Flussmanagement und der Flussrevitalisierung. Freizeitboote und Flussdampfer wirken der Flussrenaturierung kleinerer Wasserstraßen entgegen und gefährden den ökologischen Erfolg des Blauen Bandes. / European large rivers have been tremendously modified over centuries and transformed into waterways for inland navigation. Extensive river modifications such as river regulation, channel straightening and flood protection have resulted in multiple pressures. However, inland navigation has not been considered as a potential pressure yet. This thesis aimed to assess the role of inland navigation among the most prevailing pressures in large rivers under field conditions. A worldwide unique and complementary dataset, the Large River Fish Database (LRDB) was compiled. The LRDB consists of 2693 fish samples assessed at 358 sampling sites in 16 European large rivers. Sites were characterized by various pressure variables and frequencies of ship traffic. To derive representative samples of large rivers fish assemblages, performance of various fishing gears applied was assessed. Electrofishing samples represented highest densities of fish and highest overall biodiversity. Therefore, electrofishing is suitable for fish-based assessments of large rivers and only electrofishing samples were selected to assess multiple pressures and inland navigation. Commercial cargo navigation appeared as the most influential pressures on large rivers fish assemblages among increased velocities and the loss of floodplains. Starting at already eight passing vessels per day, densities of particularly habitat-sensitive spawners significantly declined. Moreover, recreational navigation such as river cruises and motorized sport boats had distinct ecological consequences to those of cargo vessels. Inland navigation is as detrimental as the hydromorphological degradation of the river channel and requires specific attention in river management and rehabilitation. Pleasure boating (river cruises and sport boats) will counteract river rehabilitation also in smaller waterways and delimit ecological success of the Blue Band initiative in Germany.

Gewässer sind Lebensgrundlage, jedoch gleichzeitig Schadstoffsenken für eine Vielzahl von Kontaminanten. Biologische Wirkungstests und das Biomonitoring aquatischer Proben sind daher besonders wichtig, um Umwelt-Gefahrenpotenziale erkennen zu können. Der "Comet Assay" (Einzelzell-Gelelektrophorese) ist ein Indikator von DNA-Strangbrüchen und wurde hier als Test auf gentoxische Wirkungen erprobt und angewandt. Mit bekannten, gentoxischen Substanzen wurden Nachweisgrenzen und Dosis-Wirkungs-Beziehungen für die Zelllinien RTG-2 und RTL-W1 (aus der Regenbogenforelle, Oncorhynchus mykiss) in vitro ermittelt und methodische Parameter an die Zellen angepasst. Der Test reagierte sehr sensitiv auf 4-Nitrochinolin-1-oxid. Die Substanz war daher geeignet, um in weiteren Versuchen als Positivkontrolle zu dienen. Zur Bewertung der Messdaten wurde ein geeignetes statistisches Verfahren gefunden, das auch historische Kontrollen mit einbezog. Der zeitliche Verlauf der DNA-Schädigung des Testsystems mit RTG-2-Zellen wurde ermittelt, und durch Inhibition der DNA-Reparatur mit Aphidicolin wurden Zusammenhänge zwischen der Entstehung von DNA-Strangbrüchen, der DNA-Reparaturkapazität sowie der Metabolisierungskapazität untersucht. In einer zweiten Phase wurden unbehandelte Wasserproben aus Rhein, Elbe sowie weitere Oberflächenwasserproben mit dem Comet Assay an RTG-2-Zellen getestet. Bei 15 von 49 Proben zeigten sich gentoxische Effekte. In einer dritten Phase wurden Erythrozyten von freilebenden Döbeln, Leuciscus cephalus, aus der Mosel mit dem Comet Assay untersucht. Die Fische von drei Messstellen zeigten erhöhte Werte von DNA-Schädigungen, gegenüber einer vierten, stromabwärts gelegenen Messstation. Korrelationen mit den Ergebnissen zusätzlicher Biomarker ergaben sich nur teilweise. Chemische Analysen von Wasser- oder Gewebeproben ließen keine Rückschlüsse auf verursachende Kontaminanten zu - gerade dies unterstreicht jedoch die Wichtigkeit biologischer Tests bei komplexen Proben. / Bodies of Water are both vital resources and pollutant sinks for a multitude of contaminants. Therefore, biological effect tests and biomonitoring of aquatic samples are of particular importance to detect potential environmental hazards. The "comet assay" (single cell gel electrophoresis) is an indicator for DNA strand breaks and was explored and applied as a genotoxicity test in the present study. Known genotoxic substances were used to determine the detection limits and dose-response relationships for the cell lines RTG-2 and RTL-W1 (from rainbow trout, Oncorhynchus mykiss) in vitro, and to adapt methodological parameters to the cells. The test was very sensitive to 4-Nitroquinoline-1-oxide. This substance was therefore well-suited to serve as positive control in further experiments. In order to evaluate the measurement data, an appropriate statistical procedure was developed, which also took "historical" controls into account. The time course of DNA damage in the test system using RTG-2 cells was determined, and relationships between the origin of DNA strand breaks, DNA repair capacity and the metabolizing capacity of the cells was investigated by means of inhibition of DNA repair with Aphidicoline. In the second stage, native water samples from the rivers Rhine and Elbe and further surface waters were tested with the comet assay, using RTG-2 cells. 15 out of 49 samples showed genotoxic effects. In a third stage, erythrocytes of feral chub, Leuciscus cephalus, from the Moselle river were examined with the comet assay. The fish from three measuring stations showed elevated values of DNA damage compared to fish sampled from a downstream station. There were only partly correlations with the results from additional biomarkers. Chemical analyses of water and tissue samples did not permit conclusions on effect-causing substances.However, this emphasizes the importance of biological tests in dealing with complex environmental samples.