Bakgrund. Nitrat är ett födoämne som fått stor uppmärksamhet inom forskningen de senaste åren. Studier påvisar blodtryckssänkande effekt, minskad syrekostnad vid submaximalt- och maximalt arbete. Det ökar samtidigt den muskulära verkningsgraden och kan därmed i idrottssammanhang ha eventuell positiv inverkan på prestationen. Syfte. Att undersöka om tre dagars uppladdning med nitrat i form av 7 cl rödbetsjuice (0,4 gram nitrat) om dagen, samt en fjärde dos på testdagen kan öka prestationen hos medeltränade löpare i ett Coopers test.  Metod. En randomiserad dubbelblind placebo-kontrollerad korsad studie utfördes på totalt 6 fullt friska försökspersoner, varav tre män och tre kvinnor (ålder 25,5±7 år, VO2max 46,7±22, kroppsvikt 73±17,1 kg, längd 178,8±17,9 cm, BMI 23±6,4). Försökspersonerna genomgick vid två tillfällen tre dagars uppladdning samt en fjärde dos på testdagen med två olika typer av kosttillskott, nitratprov (rödbetsjuice) och placebo (tranbärsjuice). De två testperioderna separerades av en 7 dagars washout-period. Totalt genomfördes fem olika typer av mätningar i följande ordning; längd och vikt, blodtryck, löptest (Coopers test 12min) då även puls och upplevd ansträngning registrerades. I den statistiska analysen tillämpades ett parat t-test för att jämföra placebo, nitrat och första och andra testperiod. Resultat. Ingen signifikant skillnad i prestation vid Coopers test mellan nitrat och placebo. En signifikant prestationsförbättring (p<0.03) noterades dock vid andra löptestet gentemot första. Blodtrycksvärden var inte signifikant olika mellan nitratprov och placebo. Däremot var både systoliskt och diastoliskt blodtryck lägre vid andra mätningen i förhållande till första (Systoliskt bt; p<0.02, diastoliskt bt; p<0.01). Konklusion. Tre dagars uppladdning samt en fjärde dos nitrat på testdagen förbättrar inte prestationen hos medeltränade löpare i ett Coopers test. Försökspersonerna presterade bättre vid andra löptestet än vid första vilket sannolikt beror på en träningseffekt. 60 minuter efter dietärt intag av nitrat har blodtrycket inte påverkats. Lägre blodtrycksvärden vid andra mätningen kan ha orsakats av ”white coat hypertension”.

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Am Beispiel potentieller, diffus bedingter Nitratgehalte im oberen Grundwasserleiter entwickelt und realisiert die vorliegende Arbeit methodische Herangehensweisen zur Ermittlung regionaler, räumlich differenzierter Kennwerte für die Empfindlichkeit des Grundwassers hinsichtlich eines vertikalen Schadstoffeintrags. Es werden Meßdaten analysiert und digitale Standortinformationen in einem Berechnungsmodell verarbeitet.Die Untersuchungen erfolgen in Stadt und Landkreis Osnabrück im Zeitraum zwischen 1983 und 1994. Neuartig ist der mögliche Vergleich zwischen Berechnungsergebnissen und gemessenen Nitratgehalten sowie die hohe räumliche Auflösung des Ansatzes. Der arithmetische Nitratmittelwert der 4595 betrachteten privaten Trinkwasserbrunnen liegt bei 40,5 mg/l und beträgt 97,1% des mittleren Gesamt-N. Die amtlichen Meßwerte sind jeweils geringer. In den sandig-kiesigen Gebieten des nördlichen Untersuchungsgebietes treten vielfach Werte von über 50 mg/l auf. Zusammengefaßt nach Wassereinzugsgebieten, sind die Nitratgehalte ähnlich, jedoch in Fließgewässern aufgrund einer möglichen vorherigen Denitrifikation generell niedriger als im Grundwasser. In einem Bilanzansatz wurden aus amtlichen Daten und Literaturwerten standortspezifische Stickstoffüberschüsse und zusammen mit Sickerwassermengen und Denitrifikationsverlusten potentielle Nitratgehalte im Sicker-und Grundwasser bestimmt. Das konzeptionelle DRASTIC-Verfahren ist hinsichtlich Aufwand und Ergebnissen mit dem Berechnungsverfahren vergleichbar. Die Stickstoffüberschüsse und die Nitratgehalte im Aquifer sind zeitlich gering variabel, stellenweise sehr hoch und mit gemessenen Werte vergleichbar. Die Differenzen variieren vielfach weniger als 25 mg/l. Nach Wassereinzugsgebieten aggregiert weisen alle ermittelten Nitratgehalte hohe Korrelationen auf. DieATKIS-Einzelflächen sind als Datengrundlage geeignet. Der einfache, vertikale Modellansatz ermöglicht zudem die Übertragung auf vergleichbare Standorte und Datensätze.

Examensarbetets syfte var att undersöka möjligheter till denitrifikation på sandfilter (SF) i industriell skala och hur det jämför sig med konventionella metoder för att uppnå denitrifikation och effekten av förändringen på processen vid Bromma reningsverk. Parametrar som undersöktes var rening av ammonium och nitrat, luftning, temperatur, pH, rening av fosfor, rening av organiskt material, rening av suspenderat material, förbigång av vatten vid SF och aktivslamanläggning (ASA), drifttider för SF:arna och total vattenbelastning på ASA och SF. Mätningarna gjordes med aCurve, ett online internt program vid Bromma reningsverk där onlineanalysatorer och driftsparametrar loggades. Nitrat- och nitritvärdena kontrollerades med standardiserade kyvettmetoder. Reningen av totalkväve uppnådde värden på 0,62-0,94 när denitrifikation på SF implementerades. Ökad igensättning av SF inträffade på grund av dosering av metanol på SF och tillväxt av mikroorganismer som orsakade en ökad risk för förbigång av SF, särskilt under hög vattenbelastning. Reningen av suspenderat material, organiskt material och fosfat påverkades inte av implementeringen av denitrifikation på SF. Resultaten av examensarbetet kan användas för att ytterligare optimera konventionella metoder för kväverening i reningsverk. För ytterligare studier kunde igensättning av SF vid användning av metanoldosering på sandfilter undersökas och metoderna kan jämföras i en kontrollerad miljö. / This thesis work aimed to investigate opportunities of denitrification on sand filters (SFs) at industrial scale and how it relates to conventional methods of achieving denitrification and its effect on the process at Bromma WWTP. Investigated parameters were ammonium and nitrate removal, oxygen and aeration, temperature, pH, phosphorus removal, removal of organic material, removal of suspended solids, water bypass of SF and activated sludge facility (ASF), operational times of the SFs and total water load on ASF and SF. The measurements were made with aCurve, an online internal program at Bromma WWTP where online analyzers and operational parameters were logged. The online values for nitrate and nitrite were controlled using standard cuvettes methods. Tot-N removal achieved values of 0.62-0.94 for denitrification on SF. Increased clogging of SFs occured due to dosage of methanol on SFs and growth of microorganisms causing an increased risk of SF bypass especially during high water load. Removal of TSS (total suspended solids), BOD7 and phosphate were unaffected by the implementation of denitrification on SFs.  The findings of the thesis can be used to further optimize conventional methods of nitrogen removal in WWTPs. For further studies the clogging of SFs when using methanol dosage on sand filters could be investigated as well as comparing the methods in a controlled environment.

Aquaponik-Systeme stellen an sich einen sehr nachhaltigen, innovativen Ansatz für die zukünftige Lebensmittelproduktion dar. Allerdings hat sich bis heute noch kein flächendeckender, ökonomischer Erfolg eingestellt und wesentliche systemische Engpässe wurden wissenschaftlich nicht untersucht. Daher waren die Hauptziele dieser Dissertation, (I) sichere Nitratkonzentrationen in geschlossenen Kreislaufanlagen (RAS) zu ermitteln, unter denen optimales Wachstum und Tierwohl produzierter Tilapien gewährleistet ist, (II) die Evaluierung des besten Designkonzeptes für die optimale, kombinierte Produktion von Fisch und Pflanzen und (III) die allgemeine Effizienz bei der Wiederverwertung des Abwassers und der Nährstoffe aus dem Schlamm der mechanischen Filtrationseinheiten in aquaponischen Systemen zu erhöhen. Das Wachstum und die Gesundheit von Niltilapien (Oreochromis niloticus) wird durch hohe Nitratkonzentrationen (> 500 mgL-1 NO3--N) negativ beeinflusst. Nitratkonzentrationen, die für die Produktion von Pflanzen in aquaponischen Systemen (~ 200 mgL-1 NO3--N) optimal sind, haben keinen negativen Einfluss auf das Tierwohl. Entkoppelte Kreislaufsysteme sind bei einer professionellen aquaponischen Produktion von Fisch und Pflanzen zu bevorzugen. Bei der Produktion von Fisch ergab sich keinerlei Unterschied, jedoch wurde eine deutlich gesteigerte Tomatenproduktion von 36 % in entkoppelten Kreislaufsystemen erreicht. Die aerobe Mineralisation zeigte das beste Rückgewinnungpotential von Phosphat und nur geringe Nitratverluste und kann in der Gesamtheit eine deutliche Effizienzsteigerung aquaponischer Systeme zur Folge haben. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Engpässe in der Aquaponik klar auf und liefern gleichzeitig Lösungsansätze, wie diese Hindernisse in Bezug auf das Nährstoff- und Ressourcenmanagement überwunden werden können. Dadurch kann die Nachhaltigkeit dieser Anlagen gesteigert und die Wahrscheinlichkeit des wirtschaftlichen Erfolges erhöht werden. / Aquaponics is the combination of fish production in aquaculture and hydroponic (soilless) production of crop plants. Despite of representing already a sustainable, innovative approach for future food production systems, aquaponics are still missing economic success and up to date major bottlenecks were not scientifically addressed. Therefore the main aims of this thesis were (I) to identify safe nitrate concentrations under which best growth and health status of tilapia can be guaranteed in aquaponics, (II) to evaluate the best design concept for an optimal combined production of fish and plants and (III) to increase the overall system efficiency by recycling waste water and nutrients deposited in the sludge of the mechanical filtration unit. The growth and health status of Nile tilapia (Oreochromis niloticus) is negatively affected by high nitrate concentrations (> 500 mgL-1 NO3--N) commonly reported for RAS. Nevertheless, optimal nitrate concentrations for plant production in aquaponic systems (~ 200 mgL-1 NO3--N) are not affecting fish welfare and allow for an efficient production of Nile tilapia. Decoupled aquaponics proved to be favorable for professional aquaponic production, whereas coupled systems were suboptimal for a combined production of fish and plants. There were no differences in fish production, whereas tomato production within the decoupled system was considerably increased by 36 %. Aerobic mineralization of phosphate revealed best phosphate recovery with only minor losses of nitrate. Recycling of water sludge mixture from clarifiers resulted in a substantial phosphor recovery, an increase in potassium and additional water savings. Conclusively, the results of this holistic thesis clearly revealed the bottlenecks in aquaponic technology and provided guidance in overcoming mayor obstacles in terms of optimized nutrient and resource management to increase the overall sustainability of these systems and improve production efficiency and profitability.

Ziel der vorliegenden Arbeit war zum einen die Ermittlung des im Grünfutter notwen-digen Mindest-Nitratgehaltes zur Erzielung buttersäurefreier Silagen, wobei TS-Gehalt und Z/PK-Quotient des Ausgangsmaterials sowie dessen Belastungsgrad mit Clostridiensporen berücksichtigt wurden. Dazu wurden zwei mehrfaktorielle Laborsi-lierversuche durchgeführt, bei denen eine Variationsreihe des Nitratgehaltes (0,01...0,3 % NO3-N in TS) mit Variationsreihen des TS-Gehaltes (ca. 14...40 %) und des Z/PK-Quotienten (1,5...3,1) systematisch kombiniert wurden. Jede Wertekombi-nation wurde sowohl mit sauber geerntetem Grünfutter als auch mit Clostridienspo-ren kontaminiertem Grünfutter geprüft. Die Silagen wurden nach 180 Tagen Lage-rungsdauer untersucht. Zum anderen wurde die Dynamik der Clostridienentwicklung im Gärungsverlauf in Abhängigkeit von TS-Gehalt, Säuerungsintensität und Nitratge-halt geprüft. Jede Stufe des TS-Gehaltes (20, 30, 40 und 50 %) wurde mit Zusätzen von Nitrat, Milchsäurebakterien (MSB) bzw. MSB + Glucose und MSB + Nitrat ange-setzt. Das Ausgangsmaterial (Dac. glomerata, nitratfrei) war durchgehend mit Clostridiensporen kontaminiert. Die Untersuchung der Silagen erfolgte 3, 7, 14, 28, 56 und 180 Tage nach dem Ansatz. Der Konservierungserfolg bei der Silierung hängt nicht nur vom TS-Gehalt und Z/PK-Quotienten sondern auch vom Nitratgehalt und Clostridiensporenbesatz des Aus-gangsmaterials ab. Bei sehr niedrigem Nitratgehalt des Grünfutters liegt ein erhöhtes Risiko für die Entstehung von Buttersäure in der Silage vor, auch bei dem als leicht vergärbar geltendem Grünfutter (VK > 45) und auch dann, wenn es im sauber geern-tetem Zustand einsiliert worden ist. Bei weiter erhöhten VK-Werten, > 45 (durch Er-höhung des TS-Gehaltes und/oder Z/PK-Quotienten), wird die Höhe der Buttersäure-gehalte zwar eingeschränkt. Zur sicheren Ausschaltung von Buttersäuregärung ist jedoch auch hier ein gewisser Nitratgehalt notwendig. Bei der Silierung nitratfrei-en/nitratarmen Grünfutters nimmt das Fehlgärungsrisiko mit dem Belastungsgrad an Clostridiensporen zu. Der notwendige Mindest-Nitratgehalt (MNG) hängt sowohl vom VK-Wert als auch vom Kontaminationsgrad des Grünfutters mit Clostridiensporen ab. Er ist um so niedriger, je höher der VK-Wert und geringer der Kontaminationsgrad ist, und umgekehrt. (MNG (% NO3-N in TS) für sporenarmes Grünfutter = 0,24 - 0,0035 . VK MNG (% NO3-N in TS) für sporenreiches Grünfutter = 0,20 - 0,0021 . VK) Hohe Clostridiensporengehalte lagen vor allem in buttersäurehaltigen Silagen vor und insbesondere dann, wenn das Grünfutter sehr geringe Nitratgehalte aufwies. Zwischen der Höhe der Buttersäuregehalte und dem Clostridiensporengehalt besteht jedoch kein direkter Zusammenhang. Erhöhung des TS-Gehaltes bewirkt eine Ein-schränkung der Clostridienentwicklung. Ein Rückgang des Sporengehaltes im Ver-gleich zum Ausgangsmaterial (nitratfrei) lag aber erst bei einem TS-Gehalt von etwa 50 % vor. Durch Zusätze von MSB sowie MSB + Glucose konnte die Milchsäuregä-rung deutlich intensiviert werden. Ein sehr geringer pH-Wert war schon am 3. oder 7. Lagerungstag erreicht. Buttersäuregärung war aber erst bei TS-Gehalten > 40 % ausgeschaltet. Eine Einschränkung der Sporenbildung lag ebenfalls erst bei TS-Gehalten über 40 % vor. Bei Nitratzusatz blieben die Silagen aller TS-Stufen bis zur Auslagerung buttersäurefrei. Die Sporengehalte gingen in allen TS-Stufen während des Gärungsverlaufes kontinuierlich zurück. Bei steigenden TS-Gehalten war der Rückgang der Sporengehalte verlangsamt. Durch die Kombination von MSB und Nit-rat konnte nicht nur ein sicherer Erfolg bei der Unterbindung von Buttersäurebildung und Laktatabbau sondern auch eine starke Verminderung der Sporengehalte erreicht werden. / The first aim of this work was to determine the minimum content of nitrate (MCN) which is required to get silage free of butyric acid. For it, two multi-factorial experi-ments with orchardgrass were carried out under laboratory condition. In this experi-ments, nitrate content (0.01 ... 0.3 % N in DM) was systematically combined with staggered levels of the dry matter (DM) content (14 ... 40 %) and of the ratio of water-soluble carbohydrate to buffering capacity (WSC/BC: 1.5 ... 3.1). All variants were tested with forage without or with addition of clostridial spores. The silages were ana-lysed after 180 days of incubation. The second aim of this study was to explain the dynamic of clostridial development during ensilage, depending on DM content, intensity of lactic acid formation, and ni-trate content. orchardgrass (free of nitrate) with 4 levels of DM (20, 30, 40, and 50 %) was firstly contaminated with clostridial spores about 104 / g FM. Then it was ensi-laged with following treatments: without additives, with inoculation of lactic acid bac-teria (LAB) alone or in combination with 2 % Glucose in FM (LAB+G), with nitrate addition (0.1 and 0.15 % N in DM), and with LAB plus nitrate 0.1 % N in DM. The si-lages were analysed 3, 7, 14, 28, 56, and 180 days after ensiling. Results showed that silage quality not only depends on DM content and ratio of WSC to BC, but also depends on nitrate content and extent of clostridial spores in forage. With an extremely low content of nitrate a high risk of butyric acid formation is given in silages, even if the ensiling material had a high ensilability (FC ³ 45) and a very low content of clostridial spores. The butyric acid concentration decreased with in-creasing DM content from 14 to 40 % or with increasing WSC/BC-ratio. But to get the silages free of butyric acid, a certain amount of nitrate was required. By adding clos-tridial spores in fodder the risk of butyric acid formation was increased, especially in case of material lacking in nitrate. The value of MCN depends on ensilability of the forage, as measured by DM-content and WSC/BC-ratio or by fermentability coefficient (FC) = DM+8WCS/BC, as well as depends on content of clostridial spores in the material used. The higher the FC-value and the lower the spores content is, the less nitrate is required to get silage free of butyric acid. MNC (% N in DM) for very low contaminated forage = 0.24 - 0.0035.FC MNC (% N in DM) for high contaminated forage = 0.20 - 0.021.FC High content of clostridial spores was especially found in silages containing butyric acid, which were made from forage with very low nitrate content (£ 0.02 % N in DM). But a strong relationship was not found between butyric acid and spores content. By increasing DM content the development of clostridia during ensiling was limited. A continuous decrease of spores content, in comparison with the forage before ensiled, was observed at first by increasing DM content to 50 %. By inoculation with LAB or LAB+G the lactic acid formation was strongly stimulated. A very low pH was reached 3 or 7 days after ensiling. But the butyric acid formation could be firstly prevented by increasing DM content to over 40 %. For all levels of DM, by nitrate addition the silages remained no butyric acid during the whole period of incubation. The concentration of clostridial spores decreased continuously during ensilage. This decrease was slower with increasing DM content . By combination of LAB with nitrate a reliable prevention of butyric acid formation and a fast decrease in spores concentration were reached.

An einer rieselfeldbürtigen Altlast werden Ausbreitungs- und Abbaumechanismen von Ammonium basierend auf hydrogeochemischen Parametern und stabilen Isotopen identifiziert und modelliert. Da das Rieselfeld seit fast 20 Jahren geschlossen ist, können auch die Dekontaminationsprozesse untersucht werden. Die Ammoniumausbreitung wird durch Kationenaustausch gesteuert, der durch Eintrag und Akkumulation von abwasserbürtigem organischem Material (OM) zusätzlich erhöht ist. Die stabilen Isotope von Ammonium und Nitrat zeigen vollständigen Abbau des reaktiv verfügbaren Ammoniums durch Nitrifikation in der aeroben Zone direkt an der Schadstoffquelle an. Das entstehende Nitrat wird abstromig durch heterotrophe Denitrifikation abgebaut. Wie die reaktive Stofftransportmodellierung zeigt, sind die am oberen Rand der Fahne im Abstrom des Rieselfeldes auftretenden erhöhten delta15N-Signaturen von Ammonium entweder auf dortige Nitrifikation oder Anammox nahe der Schadstoffquelle zurückzuführen. Das akkumulierte OM liefert durch seine Austauschwirksamkeit zusätzliches Ammonium während der Dekontaminationsphase. Andererseits ermöglicht eingelöstes DOC die Entfernung des sekundären Nitrats durch heterotrophe Denitrifikation. Sollte OM aufgebraucht werden, besteht die Gefahr der Ausbreitung von Nitrat. Sollte innerhalb der Ammoniumfahne Sulfidminerale akkumuliert worden sein, bestünde dann die Gefahr erhöhter Sulfatfrachten durch autotrophe Denitrifikation. Es kann gezeigt werden, dass mit einem reaktiven Multikomponenten-Transportmodell das Langzeitverhalten von Ammonium im Feldmaßstab besser simuliert werden kann als mit einem auf Sorptionsisothermen (Henry, Freundlich) beruhenden Transportmodell. Prognosesimulationen liefern einen deutlich längeren Dekontaminationszeitraum bei Verwendung des reaktiven Modells. Die Anwendbarkeit der Sorptionsisothermen im Feldmaßstab ist deshalb, vor allem bei der Ermittlung von Dekontaminationszeiträumen, grundsätzlich in Frage zu stellen. / Using the example of a contaminant site caused by sewage farm operation ammonium fate and attenuation are identified and modelled based upon hydrogeochemical parameters and stable isotopes. A feature of the site is the chance to investigate the decontamination processes in a contaminant source, which was closed 20 years ago. The ammonium plume migration is controlled by cation exchange, which is increased due to infiltration and accumulation of sewage based organic matter (OM). Complete nitrification of available, i.e. desorbed, ammonium in the aerobic zone directly below the sewage farm is detectable based upon stable isotopes of ammonium and nitrate. The secondary nitrate is degraded downstream the contamination source by heterotrophic denitrification. It is shown by reactive contaminant transport modelling, that increased delta15N signatures at the upper fringe of the plume downstream of the source are caused by nitrification on site or by Anammox close to the contaminant source. The exchange affecting accumulated OM cause a release of additional ammonium. On the other hand DOC dissolved from OM facilitates degradation of secondary nitrate due to heterotrophic denitrification. In the case of depleted OM the risk of nitrate migration is arising. In the case of accumulated sulphide minerals which are precipitated due to redox processes during the sewage water infiltration, there may be a risk of increased sulphate loads due to autotrophic denitrification. It can be shown that a reactive multicomponent transport model is better suited to simulate the long term migration of ammonium in field scale than a transport model based on sorption isotherms (Henry, Freundlich). With regard to the aquifer decontamination the application of the reactive transport model yields a longer future decontamination period than the simple retardation model. Hence the applicability of sorption isotherms in field scale is doubtful, especially for investigations of aquifer decontamination.

Forskning om människans fysiologi och hur den fungerar uppdateras dagligen. Inom idrottens värld testas nya som gamla, naturliga som onaturliga preparat och träningsmetoder kontinuerligt, allt för att optimera en idrottares prestation. Ett ämne som det forskas mycket om idag är kvävemonoxid och dess påverkan i kroppen. Från att ha tolkats som ett skadligt ämne i kroppen har det gått till att möjligen kunna hjälpa hjärtsjuka patienter och även optimera idrottsutövande. Kvävemonoxid bildas i kroppen naturligt med hjälp av syre, men det kan även bildas utan syre genom intag av nitrat som hittas i många grönsaker. Studier om nitrat inom idrottsområdet har koncentrerats till dess påverkan vid uthållighetsidrott och effekten har visat på ökad verkningsgrad och blodflöde till muskulaturen. Senare fann forskarna även hur dietärt nitrat sänkte ens syreupptagningsförmåga (Vo2max) tillsammans med en ökad uthållighet. Detta är en intressant upptäckt då sänkt Vo2max ofta leder till en försämrad arbetsprestation. Dessa studier ger en bild av hur nitrat fungerar vid aerobt arbete, det vill säga med syre. Det som forskningen inte tagit upp ännu är hur nitrat påverkar anaerobt arbete och maximala prestationer som förekommer vid styrketräning. Syftet med denna studie var därför att undersöka hur nitrat påverkar muskelfunktion och uthållighet vid styrketräning.  I en randomiserad, dubbelblind, korsande studie, konsumerade åtta män (ålder 19-26, 23 (±2, 3)) nitrat eller placebo (0,1 mmol/kg kroppsvikt/dag) under tre dagar. Under fjärde dagen testades männens prestation i fyra olika styrketest. Laktat och glukosvärden mättes för att se hur den laktacida systemet påverkades. Studien gav inget stöd till att dietärt nitrat påverkar styrketräning. Resultaten från tillfället med nitrat respektive placebo förblev i stort sett oförändrade. Slutsatsen blev att ett intag av nitrat inte har någon större betydelse för denna modell av styrketräning. Den främsta förklaringen till detta kan tänkas vara att nitratet ger störst inverkan vid långvariga arbetsdurationer och främst under aerobt arbete. I detta fall används mestadels lagrad energi i kroppen, och energisystemen där syre krävdes är troligen inte av större betydelse. / Research on human physiology and how it is working is updated daily. In the world of sports they are testing new as old, natural as unnatural preparations and different training methods continuously in order to optimize athletic performance. A substance that´s been research on, up till today is nitric oxide and its influence in the body. From being interpreted as a harmful substance in the body, it went to possibly help heart disease patients, and also optimize the physic in sport performance. Nitric oxide is formed in the body naturally by oxygen, but it can also be formed without oxygen through the ingestion of nitrates found in many vegetables. Studies on nitrate in the sport field have concentrated on the effect on endurance sports and the effect has been shown to increase the efficiency and the blood flow to the muscles. Later on they also found that nitrate supplementation seems to give a lower Vo2max together with an increased time to exhaustion. These findings are really interesting because normally a reduction in Vo2max leads us to a decrease in workability. All these studies give an idea on how nitrate works aerobic, that is with oxygen. The research has not yet an explanation on how nitrate affect anaerobic work and maximum performance that occurs in weight training. The purpose of this study was to investigate how nitrate affects muscle function and endurance in strength training. In a randomized, double-blind, crossover trial, eight men (age 19-26, 23 (±2, 3)) consumed nitrate or a placebo (0.1 mmol/kg bodyweight/day) for three days. During the fourth day the test persons were tested in four different strength tests to see how they performed. Lactate and glucose concentrations were measured to see how the laktacid system was influenced. The study gave no support that dietary nitrate affects weight training. The results from the occasion with nitrate respectively placebo remained essentially unchanged. It was concluded that an intake of nitrate not will give any significant effects on the model of strength training. The main reason for this may be that nitrate provides the greatest impact on long-term work-duration and mainly during aerobic work. In this case the main use is mostly stored energy in the body, and the energy systems in which oxygen is required will probably not be of major importance. / Pilotstudie i samarbete med Åstrands laboratoriet och Karolinska Institutet

Im Einzugsgebiet der Fassung A des Wasserwerks Thülsfelde wurden in langjährigen Beobachtungen Nitratgehalte an einzelnen Lokationen von bis zu 300 mg/L im oberflächennahen Grundwasser gemessen. Dennoch ist die betrachtete Fassung A des 27 km2 großen Einzugsgebietes weitgehend nitratfrei. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche Prozesse im Untersuchungsgebiet wirken, wie die hierfür in Frage kommenden Abbauprozesse und das für die Prozesse notwendige reaktive Material verteilt sind. Es ist bekannt, dass mikrobielle Reduktionsprozesse die effektivsten Nitratsenken sind. Diese Prozesse benötigen geeignete Reaktionspartner, die im Untergrund auch vorhanden sind, z.B. organischer Kohlenstoff oder Disulfidschwefel. In der vorliegenden Arbeit wurden folgende Teilaufgaben bearbeitet: • Identifikation reaktiver Zonen • Identifikation der Umsetzungsprozesse • Identifikation ihrer räumlichen Lage • Identifikation der Verteilung reaktiven Materials • Aufbau eines Prognosewerkzeuges. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen (Gesamtschwefelgehalt, Gesamtkohlenstoffgehalt) an Gesteinsmaterial aus 13 Rammkernsondierungen bis in eine Tiefe von 19 m uGOK sowie einer Bohrung bis in eine Tiefe von 40 m uGOK, konnte im Grundwasserleiter eine vertikale Zonierung des reaktiven Materials abgebildet werden. Bis in eine Tiefe von 20 m uGOK sind nur geringe Gehalte reaktiven Materials gefunden worden (gemessen als Schwefelgesamtgehalte: kleiner 100 [mg/kg]). Erst darunter wurden bis 26 m uGOK Schwefelgesamtgehalte zwischen 100 und 1000 [mg/kg] und in Tiefen bis zu 36 m uGOK bis zu 6400 [mg/kg] Gesamtschwefel gefunden. Die Auswertung der Beschaffenheitsdaten an Vorfeldmessstellen und an der für diese Arbeit projektierten Mehrstufenmessstelle SGM (7 Beprobungshorizonte, bis in 35,6 m uGOK) zeigten, dass genau in den Tiefenbereichen mit ansteigenden Gehalten reaktiven Materials die Redoxgrenze verläuft. Unterhalb von 25 m uGOK ist das Grundwasser praktisch nitratfrei. Untersuchungen zum Grundwasseralter ergaben für den Bereich der Redoxgrenze ein Alter zwischen 15 und 25 Jahren. Dies konnte als Hinweis darauf gedeutet werden, zusammen mit den beschriebenen Erkenntnissen zur Zonierung des reaktiven Materials und der Nitratkonzentrationen in diesem Bereich, dass der Grund für die praktische Nitratfreiheit unterhalb von 20 bis 25 m uGOK Umsatzprozesse im Grundwasserleiter sind. Die durchgeführten Batch-und Säulenversuche zum Abbau von Nitrat an Material aus dem Grundwasserleiter zeigten in ihren Ergebnissen ebenfalls eine vertikale Zonierung über die Tiefe. Mit zunehmender Tiefe wurde eine höhere Abbauleistung (bezogen auf die Ausgangsmassenkonzentrationen von Nitrat in den Versuchsgefäßen) erreicht. Im oberen Grundwasserleiter wurden bis zu 50 % Abbauleistung erreicht, nur in den tiefen Zonen wurden mehr als 50 bis zu 100 % Abbauleistung erreicht. In den Versuchen mit Material aus dem oberen Grundwasserleiter konnten keine vollständigen ablaufenden Reaktionen beobachtet werden. Für die Berechnung des Nitrattransportes wurde ein Grundwasserströmungs- und Transportmodell aufgebaut. Verwendet wurde die Software Modflow und MT3d99. In das Transportmodul MT3d99 wurden für den Abbau von Nitrat aus Feldversuchen ermittelte Geschwindigkeitskonstanten eingebaut. Mit dem Prognosewerkzeug wurden Szenarien unterschiedlicher Nitrateinträge abgebildet. Es konnte gezeigt werden, dass steigende Nitratkonzentrationen im Grundwasserleiter abhängig vom Eintrag und von der reaktiven Kapazität eines Grundwasserleiters sind. Dabei wurde anhand von 3 unterschiedlichen Szenarien deutlich, dass das Vorhandensein z.B. von Disulfidschwefel im Untergrund nur eine Scheinsicherheit darstellt. Der Reaktionspartner wird bei dem mikrobiellen Umsatz aufgebraucht. Es kann innerhalb weniger Jahre zum Ansteigen der Nitratkonzentrationen und zum Nitratdurchbruch kommen. Das aufgebaute Modell ist in der Lage unterschiedliche Szenarien für den Nitrateintrag, z.B. bei Landnutzungsänderungen, unter der Berücksichtigung der Verteilung reaktiven Materials, zu simulieren. Das Ergebnis des Rechenmodells sind Spannweiten von Nitratkonzentrationen für das System Grundwasserleiter. Für die Fassung A bleiben noch Fragen offen: • Wie ist die Verteilung reaktiven Materials im tiefen Grundwasserleiter? • Welche Massen reaktiven Materials sind verfügbar, nicht nur stöchiometrisch? • Wie sind die Reaktionen im tiefen Grundwasserleiter verteilt? • Welche Abbausequenzen existieren im tiefen Grundwasserleiter? (Anlage Rohdaten auf CD-Rom in Printversion 226 MB)

Matter retention in streams and rivers is an ecosystem service of outstanding ecological as well as economic importance. Studying and monitoring instream nitrate dynamics is essential to reduce the tremendous consequences of eutrophication of freshwater systems and coastal zones. Moreover, the cycling of nitrate in lotic systems is a paradigm for the instream transport and transformation behavior of any other reactive substance subjected to human perturbation of its natural cycle. Identifying instream processes and drivers that dictate nitrate transport in rivers and quantifying the capacity of rivers to retain nitrate is therefore of scientific as well as political interest and was the motivation for this thesis. Even though understanding and monitoring of instream nitrate dynamics is advanced compared to most other emerging substances of concern (e.g. pharmaceuticals, synthetic and natural hormones), methodologies to directly assess nitrate dynamics are still limited, leaving a high degree of uncertainty to descriptive and predictive models. One major problem of common data acquisition is that the temporal and spatial variability of nitrate processing rates arising from the complex interactions of hydrological and biogeochemical drivers cannot be captured with traditional methods. For technical reasons, most studies have been conducted in small (and rather pristine) streams. Thus, particularly the functional behavior of larger rivers and anthropogenically modified systems is widely uncharacterized. In this work, two methodologies were developed which allow quantitatively assessing nitrate dynamics on two relevant scales: The reach scale (1), which is of particular interest for monitoring strategies and local hyporheic nutrient fluxes (2), with the hyporheic zone being a key compartment in instream solute cycling. In order to assess the seasonal fluctuation in nitrate dynamics (3), a primary demand on the methods was that they operate continuous or over longer time spans. On the reach scale, a combined two-station time-series and longitudinal profiling approach based on measurements from automated sensors, provided novel insights into seasonal variations of nitrogen processing and allowed quantitative comparison of the dynamics in a natural versus a heavily modified reach. Uptake was lower and the influence of season on uptake rates more marked in the modified reach. Continuous implementation of the proposed approach, fully covering the annual variations, can essentially improve existing monitoring practices by quantifying the effect of altered morphology and water chemistry on retention rates. Hyporheic passive flux meters are an efficient tool to quantify time integrative hyporheic nutrient fluxes. In combination with other measurements, the results from a field application unraveled an unexpected hyporheic source-sink behavior for nitrate at the study reach. Different to common observations, not the upper most layer of the hyporheic zone but the layer between 15 and 30 cm was most efficient in removing nitrate, assumedly because substrate limitation is irrelevant in agricultural (nutrient and DOC enriched) streams. Further, higher discharge did not increase hyporheic exchange, because the monotonous morphology and absence of bedforms reduced the usually dominating effect of increased drag resistance with higher flow. The studies presented here deliver empirical evidence that, on both investigated scales, anthropogenic modifications substantially impact instream nitrate dynamics. Alterations to channel morphology, riparian vegetation, hydrology and water quality change principal ecosystem functions relevant for solute retention in streams and rivers. The presented results show that anthropogenically modified systems may therefore behave unexpectedly if predictions are built on the driver-response correlations observed in natural systems. Worldwide a large proportion of rivers and streams are modified by humans. However, altered systems are not adequately represented in studies focusing on solute dynamics. Efficient management of such systems, including evaluation of measures to reduce the nitrogen burden on receiving water bodies, requires quantitative knowledge on instream processes and governing drivers. Continuous or time integrative observations are more representative for the solute cycling characteristics of a system than “snapshot”-like assessments. The new methodologies thereby also facilitate extrapolation of local measurements and linking the resulting data with catchment scale models. Overall synthesis of the presented results suggests that such measurements of nitrate dynamics in streams may be used as an indicator for the ecosystem integrity. / Der Rückhalt von Stoffen in Flüssen und Bächen ist eine Ökosystem-Dienstleistung von grösster ökologischer wie auch wirtschaftlicher Bedeutung. Um die negativen Auswirkungen durch Eutrophierung von Süsswasserkörpern und Küstengebieten zu reduzieren, ist es erforderlich, die Stickstoffdynamik in Fliessgewässern zu untersuchen und zu überwachen. Darüber hinaus, kann der Umsatz von Nitrat in lotischen Systemen als Paradigma für den Transport und die Transformation anderer reaktiver Substanzen von anthropogenem Ursprung gesehen werden. Die Prozesse zu identifizieren, die den Nitrattransport in Fliessgewässern und deren Kapazität Nitrat zurückzuhalten beeinflussen, ist somit von wissenschaftlichem wie auch von politischem Interesse und war die Motivation für diese Arbeit. Obwohl unser Wissen über das Verhalten von Nitrat in Fliessgewässern, im Vergleich zu vielen erst neuerdings an Bedeutung gewinnender Substanzen (z.B. Arzneimittelrückstände, synthetische und natürliche Hormone) fortgeschritten ist, fehlen Methoden um die Nitratdynamik im Fliessgewässer zu erfassen. Dadurch ist die Überwachung wie auch der Vorhersage des Nitratexports durch Fliessgewässer mit grossen Unsicherheiten behaftet. Ein Hauptproblem bei der Datenerfassung ist, dass die Umsatzraten von Nitrat aufgrund der komplexen Zusammenspiele von biogeochemischen wie auch hydrologischen Einflussfaktoren, sowohl räumlich wie auch zeitlich stark schwanken. Ausserdem wurden aus technischen Gründen die meisten Studien bislang in kleinen (und eher unberührten) Flüssen durchgeführt. Deshalb bestehen insbesondere über das Exportverhalten grosser und anthropogen veränderter Systeme grosse Unsicherheiten. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden entwickelt, die es erlauben, die Nitratdynamiken auf zwei relevanten Grössenskalen zu erfassen: Einmal über eine Flussstrecke von einigen Kilometern und zum anderen lokal in der Hyporheischen Zone. Die erste Skala (Flusstrecke) ist insbesondere für die Entwicklung von Monitoring-Strategien wichtig. Die Hyporheische Zone ist als Schlüsselkompartiment für den Stoffumsatz in Fliessgewässern von Bedeutung. Da zeitliche (z.B. saisonale) Schwankungen im Nitratumsatz erfasst werden sollten, war eine primäre Herausforderung an die Methoden, dass sie für die kontinuierliche Aufzeichnung über länger Zeitspannen geeignet sind. Für die Fliessgewässerstrecke wurde eine Bilanzierung von Zeitreihen zwischen zwei Stationen mit Messungen über das Längsprofil kombiniert. Die Zeitreihen wurden mit automatisierten Sensoren aufgenommen. Der hier entwickelte Ansatz von Messung und Auswertung lieferte neue Erkenntnisse über die saisonale Variation des Stickstoffumsatzes und ermöglichte einen quantitativen Vergleich zwischen einem natürlichen und einem anthropogen überprägten Gewässerabschnitt. Der Nitratrückhalt im veränderten Abschnitt war niedriger und der Einfluss der Jahreszeit auf die Umsatzraten war stärker ausgeprägt. Eine dauerhafte Installierung des Messaufbaus, der die gesamten Jahresschwankungen abdeckt, könnte die existierenden Überwachungsverfahren erheblich verbessern, weil so der Effekt der Fliessgewässermorphologie und der Wasserchemie auf die Umsatzraten berücksichtigt werden können. Hyporheische Passive Flux Meter sind ein Instrument für die zeitlich gemittelte Quantifizierung von Nitratflüsse durch die Hyporheische Zone. In Kombination mit weiteren Messungen brachten die Ergebnisse einer Freilandmessung unerwartete Ergebnisse über die Entstehung und den Abbau von Nitrat in der Hyporheischen Zone des untersuchten Flusses zum Vorschau. Anders als üblicher Weise beobachtet, war der Abbau von Nitrat nicht in der obersten Schicht der Hyporheischen Zone, sondern in einer Tiefe von 15 bis 30 cm am effizientesten. Wahrscheinlich verhalten sich landwirtschaftlich beeinflusste Gewässer (die mit Nitrat und organischen Stoffen angereichert sind) diesbezüglich nicht laut Lehrbuchmeinung, weil es nicht zur Stofflimitierung in tieferen Schichten kommt. Ebenso unerwartet führten höhere Abflüsse nicht zu vermehrtem hyporheischen Austausch. Es zeigte sich, dass durch die Begradigung des Fliessgewässers, der normalerweise auftretende Austausch an Gewässerbettformen, der mit zunehmenden Abfluss steigt, nicht relevant ist. Die hier vorgestellten Studien liefern empirische Beweise, dass auf beiden untersuchten Skalen anthropogene Veränderungen die Nitratdynamik im Fliessgewässer erheblich beeinflussen. Eingriffe in die Morphologie, Ufervegetation, Hydrologie und Wasserqualität verändern wesentliche Ökosystem-Funktionen, die relevant für den Stoffrückhalt in Flüssen und Bächen sind. Die präsentierten Ergebnisse zeigen dass sich anthropogen veränderte Systeme überraschend verhalten, wenn Vorhersagen auf Aktio-Reaktio-Korrelationen getroffen werden, die aus Beobachtungen in natürlichen Systemen abgeleitet wurden. Weltweit ist ein grosser Anteil der Flüsse und Bäche durch Menschen verändert. Solche beeinträchtigten Fliessgewässer sind jedoch nicht angemessen in Studien über Stoffdynamiken vertreten untersuchen. Effizientes Management solcher Fliessgewässer, ebenso wie die Beurteilung von Massnahmen um die Nitratlast auf die empfangenden Fliessgewässer zu reduzieren, benötigen quantitative Aussagen über Prozesse und vorherrschende Auslöser. Kontinuierliche wie auch zeitlich integrierende Beobachtungen sind repräsentativer als Schnappschuss-Aufnahmen. Die neuen Methoden erleichtern damit auch die Übertragung lokaler Messungen und die Einbindung der gewonnenen Daten in Einzugsgebiet Modelle. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass die Nitratdynamik in einem Fliessgewässer als Indikator für die Intaktheit des Ökosystems verwendet werden kann.