In der vorliegenden Arbeit wurde die Nähr- und Schadstoffdynamik flugaschebeeinflusster Waldböden der Dübener Heide bezüglich ihres aktuellen Zustandes und der zu erwartenden zukünftigen Entwicklung untersucht. In der Dübener Heide wurden jahrzehntelang große Mengen an Flugasche abgelagert, die die Eigenschaften des Bodens entscheidend und nachhaltig prägten. Selbst 15 Jahre nach dem abrupten Ende der Einträge kann eine Flugaschebeeinflussung noch immer deutlich nachgewiesen werden. Das Ökosystem hat sich an die durch die Flugasche veränderten Umweltbedingungen angepasst. Nach Wegfall der Einträge unterliegt das System nun allerdings wieder neuen Veränderungen, deren Auswirkungen auf die Bestände noch unklar sind. Als Grundlage für nachhaltige forstliche Planungen und ein angepasstes Naturparkmanagement wurden deshalb im Rahmen des ENFORCHANGE-Teilprojektes Bodenprozesse der aktuelle bodenchemische Zustand der Dübener Heide untersucht und Prognosen über die zukünftige Entwicklung abgeleitet. Für die Ermittlung des Ist-Zustandes wurden 12 Kernversuchsflächen ausgewählt, die entlang eines Entfernungsgradienten ausgehend vom angenommenen Hauptemittenten, Kraftwerk Zschornewitz, gelegen sind und die typischen Bodentypen und Bestände der Dübener Heide repräsentieren. 2 m tiefe Bodenprofile wurden angelegt und in Tiefenstufen beprobt. Die Bodenproben wurden mit Standardmethoden auf verschiedene bodenchemische Parameter untersucht. Die Ergebnisse wurden sowohl hinsichtlich der Überschreitung von Mittel-, Vorsorge- und Grenzwerten als auch bezüglich der Ausbildung von Tiefen- und Entfernungsabhängigkeiten beurteilt. Darüber wurden die eindeutig flugaschebeeinflussten Parameter und die am stärksten beeinflussten Tiefenstufen identifiziert. Diese Informationen wurden anschließend genutzt, um die Standorte statistisch in unterschiedlich stark flugaschebeeinflusste Gruppen einzuteilen. Weiterhin wurden aktuelle Potentiale und Risiken abgeschätzt und über den Vergleich mit Literaturdaten die vergangene Entwicklung beurteilt. Die Ergebnisse zum derzeitigen bodenchemischen Ist-Zustand der Dübener Heide können wie folgt zusammengefasst werden: Als eindeutig flugaschebeeinflusst sind der pH-Wert, die Basensättigung sowie die Gesamtgehalte der Metalle Aluminium, Eisen, Calcium, Magnesium, Cadmium, Cobalt, Nickel und Zink identifiziert worden. Für diese bodenchemischen Parameter liegen klare, abnehmende Gradienten mit zunehmender Entfernung vom Hauptemittenten vor. So sind die pH-Werte im Mittel in den emittentennahen Auflagen um 1,5 pH-Einheiten höher als bei den emittentenfernen Auflagen. Während die emittentenfernen Auflagen dabei bereits etwa über den standorttypischen pH-Wert verfügen, sind die der nahen Standorte noch deutlich durch die Flugasche angehoben. Ebenso liegen in den Auflagen der emittentennahen Standorte sehr hohe Basensättigungen um 90 % und gegenüber den fernen Standorten um etwa 20 - 400 % höhere Metall-Gesamtgehalte vor. Der pH-Gradient ist außerdem die Ursache dafür, dass Metalle mit pH-abhängigen Mobilitäten sehr deutlich ausgebildete Entfernungsgradienten in ihren verfügbaren Gehalten aufweisen, wobei die verfügbaren Gehalte im Gegensatz zu den Gesamtgehalten mit zunehmender Entfernung zum Emittenten ansteigen. Anhand der Gesamtgehalte lässt sich nachweisen, dass die Flugaschebeeinflussung vor allem die Auflagen betrifft. Der Transport ganzer Flugaschepartikel in den Mineralboden wird anhand der vorliegenden Ergebnisse als unbedeutend angesehen. Dagegen erfolgt aber eine Verlagerung gelöster Flugaschebestandteile mit dem Sickerwasser. Diese führt dazu, dass ein flugaschebedingter Einfluss auf die pH-Werte, die Basensättigungen und die verfügbaren Gehalte der Basenkationen teilweise noch in 30 cm Tiefe feststellbar ist. Im tieferen Mineralboden überwiegen dann aber andere Standortfaktoren. Für die Analyse des Flugascheeinflusses ist der Oh-Horizont am besten geeignet. Hier liegen die eindeutigsten und stärksten Gradienten von allen beeinflussten bodenchemischen Parametern vor. Der Of-Horizont ist dagegen bereits durch den Einfluss der Vegetation (Basenpumpe) teilweise überprägt. Entsprechend der aktuellen Werte der eindeutig flugaschebeeinflussten Parameter lassen sich die Standorte zu drei unterschiedlich stark beeinflussten Gruppen zusammenfassen. Diese Gruppen spiegeln den Entfernungsgradienten wider und wurden deshalb als nahe, mittlere und ferne Standorte bezeichnet. Die in der vorliegenden Arbeit gefundene Gruppierung weist aber Veränderungen gegenüber der anhand der Rauchschäden der Bestände vorgenommenen Einteilung der Dübener Heide in vier Rauchschadenszonen auf [LUX 1965b]. So wird heute der ehemals stark beeinflusste Standort Ochsenkopf-BDF (RSZ 1) nicht mehr den nahen, sondern den mittleren Standorten zugeordnet, während ein Teil ehemals mäßig beeinflusster Standorte (RSZ 3) mit früher gering geschädigten Standorten (RSZ 4) zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Ein Vergleich mit vorhandenen Literaturdaten zur Dübener Heide zeigt, dass die Unterschiede zwischen den Zonen (z. B. im pH-Wert) mit der Zeit mehr und mehr abnehmen und Nährstoffe (wie Calcium) langsam ausgewaschen werden. Bezüglich der Potentiale und Risiken kann angegeben werden, dass abgesehen von Cadmium, welches in der gesamten Dübener Heide erhöhte Werte aufweist, der Großteil der untersuchten Standorte über standorttypische mittlere Werte und Gehalte verfügt. Nur an den nahen Standorten treten überdurchschnittlich hohe pH-Werte, Basensättigungen, Calcium-Gesamtgehalte und Vorsorgewertüberschreitungen bei den Gesamtgehalten von Cadmium und Zink auf. Die hohen pH-Werte dieser Standorte führen aber dazu, dass die mobilen Schwermetall-Gehalte derzeit noch niedrige Werte aufweisen und die positive Wirkung der verbesserten Nährstoffsituation überwiegt. Dabei nimmt der Standort Burgkemnitz eine Sonderrolle ein, da er selbst gegenüber dem ebenfalls nahen Standort Buchholz über extrem hohe Calcium-Gehalte und in Verbindung mit seiner sehr mächtigen Auflage auch über sehr hohe Elementvorräte verfügt. Aufgrund der bereits zu beobachtenden Wiederversauerung und Abnahme der Calcium-Gehalte sind besonders für die nahen Standorte eine Verschlechterung der Nährstoffsituation und eine zunehmende Mobilisierung der Schwermetalle zu erwarten. Als Grundlage für die Abschätzung der Wirkung zukünftiger Veränderungen auf das Waldökosystem und die Bestände wurden deshalb Prognosen über die Entwicklung der relevanten flugaschebeeinflussten Parameter in den Auflagen der Dübener Heide aufgestellt. Mit Hilfe dieser Prognosen sollten sowohl das zu erwartende Ausmaß der Veränderung als auch deren zeitlicher Rahmen besser einschätzbar werden. Für die Prognosen wurden Altdaten, aktuelle Messwerte und die Ergebnisse eines Freisetzungsexperimentes genutzt, um daraus Trends über die mittlere Entwicklung in den beim Ist-Zustand gefundenen Entfernungsgruppen ableiten zu können. Zusätzlich wurden die Einflüsse verschiedener, in der Prognose nicht berücksichtigter Faktoren diskutiert. Mit der vorliegenden Arbeit steht damit aus bodenchemischer Sicht erstmals ein umfassendes Werkzeug für die Bewertung zukünftiger Entwicklungen in der Dübener Heide zur Verfügung. Die aufgestellten Prognosen lassen für die Auflagen der Dübener Heide die folgenden Aussagen zu: Die pH-Werte werden weiter fallen, so dass sich bereits in wenigen Jahrzehnten signifikante pH-Unterschiede zwischen den mittleren und fernen Standorten nicht mehr feststellen lassen werden. Die nahen Standorte werden sich zwar noch am längsten durch erhöhte pH-Werte auszeichnen, aber in etwa 150 Jahren wird in der gesamten Dübener Heide wieder der standorttypische pH-Wert von etwa 3,0 vorliegen. Verbunden mit der Abnahme der pH-Werte werden auch die Basensättigungen zurückgehen. Etwa 50 Jahre lang können die nahen Standorte noch als mindestens basenreich (> 50 % Basensättigung [AG-BODEN 2005]) angesehen werden. Gegen Ende des betrachteten Zeitraums von 150 Jahren ist dann mit einem einheitlichen Niveau der Basensättigung von ca. 20 % (Grenze zwischen mittelbasisch und basenarm [AG-BODEN 2005]) in den Auflagen der Dübener Heide zu rechnen. Die Vorräte von Calcium und Magnesium werden nach und nach ausgetragen, wobei die Hauptursache dafür bei Calcium die Auswaschung aufgrund der Wirkung saurer Niederschläge, bei Magnesium der Ernteentzug ist. Mindestens 50 Jahre kann aber an den nahen Standorten noch von einer überdurchschnittlich guten Calciumversorgung ausgegangen werden. Stellenweise kann aber trotz der hohen Vorräte bereits in 30 Jahren die Magnesiumversorgung zum wachstumsbegrenzenden Faktor werden, da nur ein relativ kleiner Teil des Magnesiums freisetzbar zu sein scheint. Bezüglich des Risikos nachteiliger Wirkungen aufgrund zu hoher verfügbarer Schwermetall-Gehalte sind nur Cadmium und Zink von Bedeutung. Die verfügbaren Gehalte dieser Schwermetalle werden im Zuge der Wiederversauerung ansteigen. Gleichzeitig erfolgt aber auch eine Auswaschung der Gehalte, die dem Anstieg der verfügbaren Gehalte und damit dem Überschreiten der Vorsorgewerte entgegenwirkt. Eine Gefährdung der Waldbestände ist demnach kaum zu erwarten. Die Toleranz der Bäume gegenüber Cadmium und Zink sollte aber trotzdem für langfristige waldbauliche Planungen berücksichtigt werden.:Danksagung 5 Erklärung 6 1 Einleitung und Zielsetzung 7 2 Das Untersuchungsgebiet Dübener Heide 10 2.1 Lage 10 2.2 Klima 11 2.3 Geologie und naturräumliche Gliederung 11 2.4 Boden 13 2.5 Emissionsgeschichte 13 2.6 Flugasche 17 2.6.1 Morphologische, physikalische und chemische Eigenschaften 18 2.6.2 Auswirkungen auf Boden und Pflanze 20 3 Material und Methoden 24 3.1 Charakterisierung der Standorte 24 3.1.1 Standortauswahl 24 3.1.2 Standort- und Profilbeschreibung 25 3.2 Probenahme, Probenvorbereitung 38 3.3 Standardlabormethoden zur Beurteilung des Ist-Zustandes 38 3.3.1 pH-Wert 38 3.3.2 Gesamtgehalte 39 3.3.3 NH4Cl-extrahierbare Gehalte 39 3.3.4 NH4NO3-extrahierbare Gehalte 39 3.4 Modelle und Experimente zur Ableitung von Prognosen 40 3.4.1 Extrapolation der zeitlichen pH-Wert-Entwicklung 40 3.4.2 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Basensättigung 42 3.4.3 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Mobilität 42 3.4.4 Berechnung der Säurefracht im Niederschlag 43 3.4.5 Experiment zur Prognose der Gesamtgehalte 44 3.4.6 Modell zur Prognose der verfügbaren Gehalte 50 3.5 Statistische Datenauswertung 52 3.5.1 Clusteranalyse 53 3.5.2 Diskriminanzanalyse 54 4 Ist-Zustand 57 4.1 Zielsetzung 57 4.2 Ergebnisse und Diskussion 57 4.2.1 pH-Wert 57 4.2.2 Makroelemente 62 4.2.3 Spurenelemente 75 4.2.4 Zusammenfassende Statistik 81 4.3 Schlussfolgerung 87 5 Prognosen 89 5.1 Zielsetzung 89 5.2 Ergebnisse und Diskussion 90 5.2.1 Zeitliche Entwicklung des pH-Wertes 90 5.2.2 Zeitliche Entwicklung der Basensättigung 96 5.2.3 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei konstantem Gesamtgehalt) 99 5.2.4 Zeitliche Entwicklung der Gesamtgehalte 108 5.2.5 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei abnehmendem Gesamtgehalt) 125 5.3 Schlussfolgerung 129 6 Zusammenfassung 132 7 Summary 136 8 Verzeichnisse 140 8.1 Literaturverzeichnis 140 8.2 Abbildungsverzeichnis 150 8.3 Tabellenverzeichnis 154 9 Anhang 156 9.1 Ist-Zustand 158 9.2 Prognosen 168 / In this study the dynamics of nutrients and pollutants within fly ash-affected forest soils of the Dübener Heide, Germany, were examined concerning their current state and the future development to be expected. In the Dübener Heide large amounts of fly ash were deposited over decades, which had a crucial and lasting impact on the soil properties. Even 15 years after the abrupt end of the immissions this influence can still be proven. The ecosystem has adapted itself to the environmental conditions changed by the fly ash. However, after the loss of further immissions the system is subject to changes once again with yet unknown consequences for the forest. As a basis for sustainable forest planning and an adapted nature park management the current soil-chemical state of the Dübener Heide was examined and prognoses for the future development were derived within the ENFORCHANGE subproject of soil processes. For the determination of the current state 12 sites, that are representative for the typical soil types and stands of the Dübener Heide, were selected which have increasing distances to the coal-fired power plant Zschornewitz, regarded as the main emitter. Soil profiles, two meters in depth, were set up and sampled in depth stages. The soil samples were analyzed for different soil-chemical parameters by means of standard methods. The results were judged regarding the exceeding of mean, critical and limiting values as well as the occurrence of dependencies on depth or distance. By that means parameters which are definitely influenced by the fly ash as well as the most strongly affected depth stages were identified. These information were used afterwards in order to statistically divide the sites into groups of different grade of fly ash-affection. Furthermore current potentials and risks were estimated, and the previous development was judged by comparison with literature data. The results for the current soil-chemical state of the Dübener Heide can be summarized as follows: The pH value, the base saturation and the total contents of the metals aluminium, iron, calcium, magnesium, cadmium, cobalt, nickel and zinc were identified as definitely fly ash-affected. Decreasing values of these soil-chemical parameters are clearly observable with increasing distance from the main emitter. So on average, the pH values of the forest floor horizons close to the emitter are greater by about 1.5 pH units than that of sites far from the emitter. Thereby the forest floor horizons far from the emitter already have approximately the typical pH value while pH values are sill raised by the fly ash at the closed-by sites. Very high base saturations around 90 % and total metal contents, that are higher by approximately 20 400 % compared with more distant sites are present in the forest floor horizons of sites close to the emitter, too. In addition, the pH gradient is the cause for the fact that the available contents of metals with pH-dependent mobility exhibit very clearly formed distance gradients, with the available contents rising with the distance to the emitter contrary to the total contents of the metals. By means of the total contents it can be proven, that the influence of the fly ash mainly concerns the forest floor horizons. The transport of whole fly ash particles into the mineral soil is regarded as insignificant on the basis of the available results. However, a displacement of solved fly ash components with seepage water takes place. This leads to the fact, that a fly ash-induced influence on the pH value, the base saturation, and the available contents of the base cations is partly detectable as far as 30 cm in depth. However, in still deeper mineral horizons different location factors predominate. For the analysis of the fly ash influence the Oa-horizon is the most suitable. Here the clearest and strongest gradients of all affected soil-chemical parameters are present. The Oe-horizon is additionally marked in parts by the influence of the vegetation (base pump) According to the current values of the definitely fly ash-affected parameters the sites can be divided into three groups with different grade of fly ash-affection. The distance gradients are reflected in these groups, and that is why the groups were termed closed-by, intermediate and distant sites. However, the grouping found in the current study exhibits changes compared with the grouping of the Dübener Heide into the four smoke damage zones [LUX 1965b] according to the damage done to the stands by the smoke. Thus, today the formerly strongly affected site Ochsenkopf-BDF (RSZ 1) is no longer assigned to the closed-by but instead to the intermediate sites, while a part of the formerly moderately affected sites (RSZ 3) is now combined into one group together with formerly only slightly damaged site (RSZ 4). A comparison with existing literature data from the Dübener Heide shows, that the differences between the zones (e.g. in pH value) decrease more and more with time, and that nutrients (like calcium) are slowly washed out. Concerning the potentials and risks it can be indicated that apart from cadmium, which exhibits increased values over the entire Dübener Heide, the majority of the examined sites has averaged values and contents typical for the location. Only at the closed-by sites pH values, base saturations, total contents of calcium above the average and violations of limits of precaution of cadmium and zinc occur. But the high pH values at these sites lead to the fact, that the mobile heavy metal contents exhibit still low values at present, and that the positive effect of the improved nutrient situation predominates. The site Burgkemnitz takes a special position, since it has extremely high calcium contents and in connection with its very thick forest floor horizon also very high element stocks even in comparison with the likewise closed-by site Buchholz. Due to the already observable acidification and the decrease in calcium contents a degradation of the nutrient situation and an increasing mobilization of the heavy metals are to be expected particularly for the closed-by sites. Therefore, as a basis for the estimation of the effect of future changes on the forest ecosystem and the stands prognoses for the development of the relevant fly ash-affected parameters in the forest floor horizons of the Dübener Heide were derived. With the help of these prognoses both the extent of the change to be expected and its time frame should become better assessable. For the prognoses literature data, measured values of the current study and the results of a release experiment were used in order to be able to derive from it trends for the averaged development within the different groups of sites found for the current state. Additionally the influences of different factors not considered for the prognoses were discussed. So with this, for the first time there is available a comprehensive tool for the evaluation of future developments in the Dübener Heide from soil-chemical point of view. The set up prognoses allow the following statements for the forest floor horizons of the Dübener Heide: The pH values will continue to fall, so that already in a few decades significant pH differences between the intermediate and the distant sites will not be determinable any more. The longest time the closed-by sites will be characterised by increased pH values, but in approximately 150 years a location typical pH value of about 3.0 will be present over the entire Dübener Heide again. Connected with the reduction of the pH values the base saturation will decrease, too. About 50 more years the closed-by sites can still be regarded as at least base rich (> 50 % base saturation [AG-BODEN 2005]). But towards the end of the considered time of 150 years it has to be reckoned on a uniform level of the base saturation of approximately 20 % (threshold between medium-basic and base-poor [AG-BODEN 2005]) in the forest floor horizons of the Dübener Heide. The stocks of calcium and magnesium will be gradually decreased, for what the main cause is leaching due to the effect of acid precipitations for calcium and harvest removal for magnesium. At least for 50 more years it can be assumed that the closed-by sites will have a calcium supply good above average. In parts, however, despite the high stocks the magnesium supply can already become the growth-limiting factor in 30 years, since only a relative small part of magnesium seems to be available for leaching. Only cadmium and zinc are of importance concerning the risk of unfavourable effects caused by too high contents of mobile heavy metals. The available contents of these heavy metals will rise as the result of increasing acidification. But at the same time leaching of the metals takes place what counteracts the rise of the available contents and thus the violation of the limits of precaution. According to this an endangerment of the forest stands is hardly to be expected. However, for long-term forest-structural planning the tolerance of the trees with respect to cadmium and zinc should be considered nevertheless.:Danksagung 5 Erklärung 6 1 Einleitung und Zielsetzung 7 2 Das Untersuchungsgebiet Dübener Heide 10 2.1 Lage 10 2.2 Klima 11 2.3 Geologie und naturräumliche Gliederung 11 2.4 Boden 13 2.5 Emissionsgeschichte 13 2.6 Flugasche 17 2.6.1 Morphologische, physikalische und chemische Eigenschaften 18 2.6.2 Auswirkungen auf Boden und Pflanze 20 3 Material und Methoden 24 3.1 Charakterisierung der Standorte 24 3.1.1 Standortauswahl 24 3.1.2 Standort- und Profilbeschreibung 25 3.2 Probenahme, Probenvorbereitung 38 3.3 Standardlabormethoden zur Beurteilung des Ist-Zustandes 38 3.3.1 pH-Wert 38 3.3.2 Gesamtgehalte 39 3.3.3 NH4Cl-extrahierbare Gehalte 39 3.3.4 NH4NO3-extrahierbare Gehalte 39 3.4 Modelle und Experimente zur Ableitung von Prognosen 40 3.4.1 Extrapolation der zeitlichen pH-Wert-Entwicklung 40 3.4.2 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Basensättigung 42 3.4.3 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Mobilität 42 3.4.4 Berechnung der Säurefracht im Niederschlag 43 3.4.5 Experiment zur Prognose der Gesamtgehalte 44 3.4.6 Modell zur Prognose der verfügbaren Gehalte 50 3.5 Statistische Datenauswertung 52 3.5.1 Clusteranalyse 53 3.5.2 Diskriminanzanalyse 54 4 Ist-Zustand 57 4.1 Zielsetzung 57 4.2 Ergebnisse und Diskussion 57 4.2.1 pH-Wert 57 4.2.2 Makroelemente 62 4.2.3 Spurenelemente 75 4.2.4 Zusammenfassende Statistik 81 4.3 Schlussfolgerung 87 5 Prognosen 89 5.1 Zielsetzung 89 5.2 Ergebnisse und Diskussion 90 5.2.1 Zeitliche Entwicklung des pH-Wertes 90 5.2.2 Zeitliche Entwicklung der Basensättigung 96 5.2.3 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei konstantem Gesamtgehalt) 99 5.2.4 Zeitliche Entwicklung der Gesamtgehalte 108 5.2.5 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei abnehmendem Gesamtgehalt) 125 5.3 Schlussfolgerung 129 6 Zusammenfassung 132 7 Summary 136 8 Verzeichnisse 140 8.1 Literaturverzeichnis 140 8.2 Abbildungsverzeichnis 150 8.3 Tabellenverzeichnis 154 9 Anhang 156 9.1 Ist-Zustand 158 9.2 Prognosen 168

Urban wet weather discharge impairs the receiving water and sediment quality. Among other factors, particulate matter plays a role. It increases the suspended sediment load of the receiving water and may thus enhance the clogging of the bed sediment which serves as an important river habitat. This thesis investigates how much urban areas may contribute to the fine sediment and associated element load which is retarded by the bed sediment. It is based on an extensive field study. The study area was the Bode River, a mid-sized stream in Central Germany. About 10 km upstream of the river mouth, the sampling campaign took place close to Staßfurt, a town of 20’000. During the sampling campaign, the intrusion of fine sediment into the bed sediment was captured by sediment traps. Furthermore three possible sources of this fine sediment were sampled. Within the Town of Staßfurt, we sampled urban wet weather discharge at three sites to capture urban areas. As second source naturally occurring fine sediment was considered. Therefore we took sediment cores upstream of the Town of Staßfurt. As third source, the impact of the upstream catchment was captured by taking suspended sediment samples. For all sample types, particle-bound element contents were determined to establish element patterns of the receptor and the source sites. The rationale thereby is that the element pattern at the receptor sites results from the element patterns of the sources. Consequently the contribution of the sources can be calculated by mixing models. In the study area, particulate matter from urban areas is distinct from river borne fine sediment due to elevated copper, zinc, nitrogen and phosphorus contents. We conducted an in-depth analysis of this element pattern by a cluster analysis. It revealed that the particle-bound element pattern is source specific whereby nitrogen, phosphorus and carbon are related to sewage and behave differently than most metals such as copper which mainly originate from surface runoff. The degree to which element patterns agree from site to site is limited by the variability encountered within sample sets from individual sites. Thereby the variability of the element pattern depends on the complexity of the catchment. The contribution of urban areas to fine sediment and associated elements which were captured by sediment traps was calculated by a mixing model. Based on this mixing model, about 10% of the fine sediment originate from urban areas. Thereby the impact of the Town of Staßfurt could not be detected leading to the conclusion that upstream urban areas contribute most. Because of the elevated content of e.g. copper and zinc, urban areas contribute up to 40% and thus disproportionally high to particle-associated copper and zinc load. The source apportionment of the fine sediment is little influenced by the elements considered in the mixing model. Different element patterns showed that the median contribution of urban areas ranges from 0 – 20%. This lies within the interquartile range of the initial mixing model. Another result of the measurement campaign ist that sediment traps over-estimated the anthropogenic impact because they did not resemble the surrounding bed sediment. When they were exposed, they were completely free from fine sediment and hence served as sink of suspended sediment. During the sampling campaign, one source was not directly taken into account. It was possible, though, to delineate this source by nonnegative matrix factorization. Within the Town of Staßfurt, a soda ash production site discharges into the Bode River. The nonnegative matrix factorization uncovered that the soda ash production site is a major source of particulate matter and contributes up to 30% of the fine sediment captured by the traps downstream of the Town of Staßfurt. This source dilutes most element contents as it mainly consists of carbonates. This was revealed by studying the element binding according to the BCR extraction scheme. This thesis shows that urban areas may be a major source of particulate matter and especially associated elements retarded by the bed sediment. It shows that the element contents form a viable pattern to calculate how much urban areas contribute to fine sediment by mixing models. The thesis further shows that nonnegative matrix factorization is a viable tool to delineate such a distinct source as soda ash production site. / Misch- und Regenwasserentlastungen beeinträchtigen die Qualität von Vorflutgewässern. Unter anderem gelangt Feinsediment während Entlastungsereignissen in Vorflutgewässer. Dieses erhöht die Fracht an suspendiertem Sediment und verstärkt die Kolmatierung der Gewässersohle. Damit ist das hyporheische Interstitial, das ein wichtiges Fließgewässerhabitat ist, vom Eintrag von Feinsediment betroffen. Diese Arbeit untersucht, wie sehr urbane Flächen zur Feinsedimentfracht und zur Fracht von partikulär gebundenen Elementen beitragen können, die im Bettsediment zurückgehalten werden. Sie beruht auf einer umfangreichen Messkampagne. Das Untersuchungsgebiet dafür war die Bode, ein mittelgroßer Fluss in Mitteldeutschland. Etwa 10 km flussaufwärts der Mündung fand die Messkampagne nahe der Kleinstadt Staßfurt statt. Im Rahmen dieser Messkampagne haben wir den Eintrag von Feinsediment in das Bettsediment durch Sedimentkörbe erfasst. Drei Quellen dieses Feinsediments haben wir berücksichtigt. In Staßfurt wurden eine Regen- und zwei Mischwassereinleitungen beprobt, um urbane Flächen zu erfassen. Als zweite Quelle wurde natürlich vorkommendes Feinsediment berücksichtigt. Dafür haben wir Sedimentkerne flussaufwärts von Staßfurt genommen. Als dritte Quelle haben wir das stromaufwärts liegende Einzugsgebiet erfasst, indem wir das suspendierte Sediment beprobt haben. Für alle Proben wurde der Elementgehalt bestimmt, um das Elementmuster des Feinsediments, das ins Bettsediment eingetragen wurde, und der Quellen zu ermitteln. Der Grund für diese Messstrategie war, dass das Elementmuster des Feinsediments in den Körben aus den Elementmustern der Quellen, Regen- bzw. Mischwassereinleitungen, natürlich vorkommendes Feinsediment und suspendiertes Sediment aus dem Einzugsgebiet, resultieren sollte. Damit ist es möglich, den Beitrag über Mischungsmodelle zu berechnen. Im Untersuchungsgebiet unterscheidet sich das Feinsediment, das von urbanen Flächen stammt, von dem flussbürtigen Feinsediment aufgrund erhöhter Kupfer-, Zink-, Stickstoff- und Phosphorgehalte. Wir haben das Elementmuster der urbanen Flächen mit einer Clusteranalyse genauer untersucht. Dies ergab, dass das partikulär gebundene Elementmuster quellenspezifisch ist, wobei sich Stickstoff, Phosphor und Kohlenstoff Abwasser zuordnen lassen, während die meisten Metalle wie Kupfer und Zink hauptsächlich aus dem Oberflächenabfluss stammen. Das Maß, zu dem die Muster von Messpunkt zu Messpunkt übereinstimmen, wird durch die Variabilität beschränkt, die die Proben eines Messpunktes aufweisen. Diese Variabilität hängt dabei von der Komplexität des Einzugsgebiets ab. Über eine Mischungsrechnung konnten wir berechnen, wie viel urbane Flächen zur Fracht von Feinsediment und daran gebundenen Elementen in den Sedimentkörben beitrugen. Im Untersuchungsgebiet stammen etwa 10 % des Feinsediments, das durch die Sedimentkörbe aufgefangen wurde, von urbanen Flächen. Der Beitrag der Stadt Staßfurt konnte dabei aber nicht von dem Beitrag weiter flussaufwärts gelegener urbaner Gebiete getrennt werden. Daraus folgt, dass weiter stromaufwärts liegende Gebiete mehr beitragen als Staßfurt. Wegen des erhöhten Gehalts an z.B. Kupfer und Zink tragen urbane Flächen ca. 40 % und damit überproportional hoch zur partikulär gebundenen Kupfer- und Zinkfracht bei. Für die Berechung des Quellenbeitrags zum Feinsediment spielt es keine große Rolle, welche Elemente in der Mischungsrechnung berücksichtigt werden. Verschiedene Elementmuster ergeben, dass der Medianbeitrag urbaner Flächen zwischen 0 und 20 % liegt. Dies entspricht dem Interquartilsabstand der ursprünglichen Mischungsrechnung. Ein weiteres Resultat der Untersuchungen ist, dass die Sedimentkörbe den anthropogenen Einfluss überschätzten, weil sie das umgebende Bettsediment nicht exakt abbildeten und als Falle funktionierten. Innerhalb Staßfurts gibt es ein Sodawerk, das seine Produktionsabwässer in die Bode einleitet. Während der Messkampagne wurde diese Quelle nicht direkt erfasst. Es war trotzdem möglich, diese Quelle durch nicht-negative Matrix-Faktorisierung zu identifizieren. Die nicht-negative Matrix-Faktorisierung ergab, dass das Abwasser des Sodawerks eine Hauptquelle des Feinsediments der Bode ist. Bis zu 30 % des Feinsediments in den Sedimentkörben flussabwärts von Staßfurt lassen sich dem Sodawerk zuordnen. Dieses Feinsediment besteht hauptsächlich aus Karbonaten und verdünnt die meisten Elementgehalte. Dies wurde deutlich, indem die Elementbindungen nach dem BCR Extraktionsschema untersucht wurden. Diese Arbeit zeigt die Relevanz, die urbane Flächen als Quelle von Feinsediment und daran gebundener Elementfracht haben, die ins Interstitial eingetragen werden. Sie zeigt, dass die Elementgehalte ein Muster bilden, mit dem es möglich ist, über eine Mischungsrechnung zu klären, wie viel urbane Flächen zum Feinsediment beitragen. Die Arbeit zeigt ferner, dass nicht-negative Matrix-Faktorisierung ermöglicht, eine so charakteristische Quelle wie ein Sodawerk zu identifizieren.

The rising number of antibiotic resistant bacteria (ARB) may introduce to the post antibiotic era because they cause a loss of the therapeutic potential of antibiotics. For many years the important role of the natural environment as reservoir and dissemination pathway for ARB and responsible genes has been largely overlooked. However, especially aquatic ecosystems provide optimal conditions for the antibiotic resistance (AR) evolution: first, aquatic ecosystems are frequently affected by anthropogenic activities that cause multiple pollutions for example with heavy metals, that potentially cause co-selection of antibiotic- and heavy metal resistance. Second, aquatic ecosystems feature a dissemination pathway between human populations and natural environments via the urban water cycle. Water cycles between human associated environments (e.g. house holds and clinics) via waste water through waste water treatment plants into natural ecosystems (e.g. water bodies) and back as drinking water after purification. Third, ecosystem internal biotic interactions such as competition between bacteria and predation by the natural consumers seem to impact AR evolution sustainably. The present doctoral thesis focuses on the impact of abiotic and biotic factors on the proliferation of AR and responsible genes in natural aquatic environments, with special emphasis on (i) heavy metal driven co-selection of antibiotic and heavy metal resistance and (ii) on the impact of competition and predation on the evolution of AR. In order to quantify the risk of heavy metal driven co-selection for AR spread, I provide a first risk assessment based on literature values of environmental heavy metal loadings and related AR. Additionally, I developed a limit value named minimum co-selective concentration (MCC), which is the lowest concentration of a heavy metal that can potentially cause coselection in nature. It turned out that Cu, Zn, Ni, Hg, and Cd are suspected to be the main co-selecting heavy metals in the aquatic environment. I further investigated heavy metal driven co-selection of AR in a river ecosystem, the Western Bug River (Ukraine). I found indications for co-selection of resistance to five antibiotics (ciprofloxacin, gentamicin, amikacin, tobramycin, and cefepime) and two metals (Ni and Cd) caused by Ni- and Cd-levels. Both metals exceed their MCC for water samples and Cd additionally in sediments. As a second focal point the present work emphasis on ecological interactions effecting AR evolution. Currently three possible effects of ecological interactions on AR spread are discussed. First, environmental antibiotic levels are rather low, however they might favour ARB due to a competitive advantage. The reason is that even sublethal antibiotic levels reduce the growth of sensitive bacteria while resistant cells remain unaffected by the antibiotic action. Second, predation by protozoa is believed to impact conjugation between prey bacteria (and thus the transfer of DNA and potential resistance genes) by keeping bacteria in a growing stage that favours conjugation. Third, in order to escape predation by protozoa, bacteria evolved grazing defence mechanisms such as the formation of inedible biofilms, which can feedback on the evolution of AR. With an ordinary differential equation model, I tested the effect of low antibiotic levels and losses (e.g. due to predation) on the proliferation of ARB in a modelled planktonic system. In case that the model contains the mechanism that conjugation frequencies are highest during exponential growth, I found that (i) (grazing) losses enhance conjugation frequencies between bacteria and that (ii) medium levels of antibiotics and (grazing) losses favour resistant cells in the competition to sensitive bacteria. Biofilms are thought to be \'hot spots\' for conjugation but some plasmids have lower conjugation frequencies in biofilms compared to planktonic systems. As a first step, in order to discover predation effects on plasmid spread in plankton - biofilm systems I investigated grazing resistance of bacteria in grazing experiments. Both plankton and biofilm phenotypes were consumed, when exposed to their specialized grazer (either plankton-feeder or biofilmfeeder), whereas the other phenotype remained grazing-resistant and thus became the dominant prey type. Both predators together effectively control planktonic and biofilm prey. With regards to the spread of AR-genes via conjugation, I speculate that the feeding preference of the present predator can affect the invasion success of resistance plasmids in planktonic - biofilm systems. For dynamic systems, I assume that dynamics of predator and prey traits (plankton vs. biofilm-feeder and biofilm vs. planktonic prey) will lead to dynamics of conjugation frequencies in planktonic or biofilm bacteria. I assume that conjugation events are more frequent in the dominant prey type (plankton or biofilm). However, other factors such as pili-type of the plasmid (short and rigid pili, prefers conjugation in biofilms or long and flexible pili, prefers conjugation in plankton) might additionally influence plasmid invasion success in plankton - biofilm morphotypes.

This study investigated the chemical modification method by citric acid and its enhancement effect on the adsorption capacity of sugarcane bagasse (SB) for copper removal from aqueous solution. Characterization studies were performed by using Fourier transform infra red (FTIR), which showed the introduction of carboxylic group in the structure the modified sugarcane bagasse (MSB). Batch study revealed the influence of pH, time, initial concentration of metal ion on adsorption capacity. The data showed an extremely good fit to Langmuir isotherm model from which the maximum adsorption capacity estimated reached 28.17 mg/g at optimum pH 5.5. Fixed bed column study using the adsorbent MSB confirmed that the breakthrough curves of the adsorption processes were dependent on bed height, initial concentration and flow rate. Linear regression analysis of the data demonstrated that Yoon-Nelson kinetic models were appropriate to explain the breakthrough curves. / Nghiên cứu đã thực hiện biến tính hóa học vật liệu bã mía bằng acid citric và đánh giá khả năng hấp phụ ion Cu(II) trong nước của bã mía (SB) trước và sau biến tính axit citric. Khảo sát cấu trúc vật liệu thông qua phổ hồng ngoại FTIR cho thấy các nhóm chức carboxylic có khả năng hấp phụ kim loại xuất hiện trong vật liệu biến tính. Thí nghiệm mẻ đánh giá sự ảnh hưởng của pH, thời gian và nồng độ của vật liệu tự nhiên và biến tính đến khả năng hấp phụ ion Cu(II). Kết quả của thí nghiệm mẻ phù hợp với mô hình Langmuir với khả năng hấp phụ cực đại đạt 28,17 mg/g tại nồng độ pH tối ưu là 5,5. Kết quả thí nghiệm trên mô hình cột cho thấy đường cong thoát của quá trình hấp phụ của vật liệu biến tính và chưa biến tính phụ thuộc và chiều cao lớp vật liệu, nồng độ ion Cu(II) ban đầu và vận tốc dòng chảy qua cột. Các dữ liệu thu nhận được từ thực nghiệm phù hợp với mô hình động học Yoon-Nelson.

The study was carried out at Dai Dong and Chi Dao communes, Van Lam District, Hung Yen Province. The biological diversity indexes and dominance index of species were used to identify native plant species which have the ability to absorb Pb and Zn. The results were verified by applying methods such as plant classification, quadrat cell counting, biological indicators and chemical analysis. Results showed that there are five species of plants with the highest dominant index calculated due to number of individuals in the study area including Bidens pilosa L (33.03%), Acroceras munroanum (8.14%), Commelina coelestis (7.83%), Carex capillacea (5.41%), Ipomoea aquatic (5.26%). Verified results showed that Bidens pilosa L, Acroceras munroanum, Commelina coelestis, Ipomoea aquatic can be used to treat Pb with the absorption concentration of 380 mg/kg, 288 mg/kg, 270 mg/kg, 223 mg/kg, respectively. Only Commelina coelestis can absorb Zn with the highest concentration of 73mg/kg. In summary, Pb absorption of dominant species in the study area is higher than the absorption of Zn. / Nghiên cứu được thực hiện tại hai xã Đại Đồng và xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên nhằm xác định một số loài thực vật bản địa có khả năng hấp thụ Pb, Zn bằng cách sử dụng chỉ số đa dạng sinh học và chỉ số ưu thế loài. Kết quả được kiểm chứng bằng các phương pháp như phân loại thực vật, đếm ô quadrat, sử dụng chỉ số sinh học và phân tích hóa học. Kết quả cho thấy có có năm loài thực vật có chỉ số ưu thế cao nhất tính theo số lượng cá thể trong khu vực nghiên cứu là: Đơn buốt (33,03 %), Cỏ lá tre (8,14 %), Thài lài (7,83 %), Kiết tóc (5,41 %), Rau muống (5,26 %). Kết quả phân tích kiểm chứng thấy Đơn buốt, Cỏ lá tre, Thài lài, Rau muống có khả năng xử lý Pb với giá trị lần lượt là 380 mg/kg, 288 mg/kg, 270 mg/kg, 223 mg/kg. Trong khi đó chỉ có Thài lài là có khả năng hấp thu Zn với giá trị cao nhất là 73 mg/kg. Nhìn chung khả năng hấp thu Pb của các loài ưu thế tại khu vực nghiên cứu cao hơn so với khả năng hấp thu Zn.

In bergmännisch geschaffenen Hohlräumen in Sulfiderzlagerstätten findet durch den Kontakt sauerstoffhaltiger Wässer mit den künstlich vergrößerten Reaktionsoberflächen resterzhaltigen Materials eine permanente, intensive Sulfidoxidation statt, die zu einer hohen Löslichkeit von Elementen führt. Beispielhaft wurde die polysulfidische Gangerz-Lagerstätte Freiberg untersucht. Geochemische Bedeutung besitzen hier die Elemente Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn, Al und As. An wichtigen primären Mineralen wurde die Elementfreisetzung untersucht. Die Auswirkung der Elementmobilisation auf die Grundwasserqualität wurde verfolgt. Dabei konnte auf Besonderheiten der Grubenwässer stillgelegter Abbaue, der Stollnwässer und des Flutungswassers eingegangen werden. Die Aufnahme der Stofffrachten führt ebenso wie ihre selektive, partielle Präzipitation zu typischen, sulfatischen Grubenwässern. Die Fällungssedimente wurden mineralogisch und geochemisch charakterisiert. Die stillgelegte Sulfiderzgrube wurde als Quelle und Senke für direkt oder indirekt umweltrelevante Elemente beschrieben, deren im Wasser transportierte Stofffrachten insbesondere für Cd, Pb und As ökotoxikologisch von Bedeutung sind.

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Im Abstrom von Uranbergbauobjekten (Sachsen, Deutschland) wurden Uran, Radium-226 und Arsen in unterschiedlichen Feuchtgebieten untersucht. Dabei wurden Wasser (vor¬wiegend neutrale bis leicht basische pH-Werte), Sedimente und im Wasser befindlicher Bestandesabfall (CPOM) beprobt. Zur Klärung der Genese der Urangehalte im Sediment erfolgten Untersuchungen an Pb-Isotopen. Sie zeigen u. a., dass das Uran in den obersten Zentimetern des Sediments (organische Auflage) aus der wässrigen Phase und nicht von ca. 300 Millionen Jahre alten Erzteilchen stammt. Für die Verlagerung von Radionukliden und Arsen aus dem Wasserkörper in das Sediment wird ein neuer Weg aufgezeigt. Eine Fixierung dieser Stoffe an Bestandesabfällen (plant litter) ist möglich. Allochthoner Bestandesabfall (Blätter, Früchte, Zweige von Alnus spec. und Quercus spec.) weist nach Kontakt mit kontaminiertem Wasser (ca. 100 - 300 µgU L-1) Urangehalte von 50 - 2.000 µgU g-1 auf. Im Vergleich zu Uran sind Ra-226 und Arsen labiler am Bestandesabfall gebunden. Für die Genese der Gehalte in den subhydrischen Auflagen sind die Herkunft des (autochthonen bzw. allochthonen) Bestandesabfalls und der Abbau eine entscheidende Rolle. Sedimente aus leicht abbaubaren Bestandesabfällen (z.B. Lemna spec., Algen) weisen im Vergleich mit allochthonen Bestandesabfällen (von Bäumen) deutlich geringere Urangehalte auf. Exemplarisch wurde für einen aus allochthonen Bestandesabfällen bestehenden Sedimentkern mittels Cs-137-Bestimmung eine maximale Uranfestlegung von 1 – 2 g m-² a-1 ermittelt. Neben allochthonem Bestandesabfall führen Eisen- und Manganhydroxide, die unmittelbar an den Sickerwasseraustrittstellen ausfallen, bei relativ geringen Arsen- und Radiumkon¬zentrationen im Wasser zu hohen Arsen- bzw. Radiumgehalten im Sediment (As ≤ 5 mg g-1; Ra-226 ≤ 25 Bq g-1). Unter reduktiven Bedingungen werden Ra-226 und Arsen jedoch leicht freigesetzt. Ausgehend von den Untersuchungsergebnissen wird eine mögliche Anordnung für eine naturnahe passive Sickerwasserbehandlung vorgeschlagen.

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Das THEREDA-Journal ist die Zeitschrift zur „Thermodynamischen Referenz-Datenbasis“ (THEREDA). Die Datenbasis erlaubt in Verbindung mit geeigneten Programmen die Berechnung von Löslichkeiten und Mineralumwandlungen in wässrigen Elektrolytlösungen bis zu hohen Konzentrationen. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen geochemische Randbedingungen, wie sie für die Bewertung von Nah- und Fernfeldprozessen in verschiedenen Gesteinsformationen, welche als potenzielle Endlager für radioaktive Abfälle in der Diskussion stehen, relevant sind. THEREDA stellt derzeit für das Wirtsgestein Salz die weltweit einzige polytherme Datenbasis dar. Sie wird mit dem Stand von Wissenschaft und Technik kontinuierlich von etablierten Forschungsinstitutionen, welche auf dem Gebiet der Endlagerung von radioaktiven Abfällen bzw. den potenziellen Wirtsgesteinen arbeiten, weiterentwickelt. Das THEREDA-Journal beinhaltet Beiträge zu Datensituation und Datenbestand, Neuanpassungen, Weiterentwicklungen sowie auch Bewertungen zur Anwendbarkeit. Alle Beiträge durchlaufen einen Review-Prozess innerhalb des THEREDA-Verbundes. Auch Gastbeiträge externer THEREDA-Nutzer sind willkommen. Die Datenbasis ist frei zugänglich unter www.thereda.de.