Soil and groundwater pollution has become a global issue since the advent of industrialization and mechanized agriculture. Some contaminants such as PAHs may persist in the subsurface for decades and centuries. In a bid to address these issues, protection of groundwater must be based on the quantification of potential threats to pollution at the subsurface which is often inaccessible. Risk assessment of groundwater pollution may however be strongly supported by applying process-based simulation models, which turn out to be particularly helpful with regard to long-term predictions, which cannot be undertaken by experiments. Such reliable predictions, however, can only be achieved if the used modeling tool is known to be applicable. The aim of this work was threefold. First, a source strength function was developed to describe the leaching behavior of point source organic contaminants and thereby acting as a time-dependent upper boundary condition for transport models. For general application of these functions dimensionless numbers known as Damköhler numbers were used to characterize the reaction of the pollutants with the solid matrix. Two functions were derived and have been incorporated into an Excel worksheet to act as a practical aid in the quantification of leaching behavior of organic contaminant in seepage water prognoses. Second, the process based model tool SMART, which is well validated for laboratory scale data, was applied to lysimeter scale data from two research centres, FZJ (Jülich) and GSF (München) for long term predictions. Results from pure forward model runs show a fairly good correlation with the measured data. Finally, the derived source term functions in combination with the SMART model were used to assess groundwater vulnerability beneath a typical landfill at Kwabenya in Ghana. The predicted breakthrough time after leaking from the landfill was more than 200 years considering the operational time of the facility (30 years). Considering contaminant degradation, the landfill would therefore not cause groundwater pollution under the simulated scenarios and the SMART model can be used to establish waste acceptance criteria for organic contaminants in the landfill at Kwabenya / Seit dem Beginn der Industrialisierung und der mechanisierten Landwirtschaft wurde die Boden- und Grundwasserverschmutzung zu einem weltweiten Problem. Einige Schadstoffe wie z. B. PAK können für Jahrzehnte oder Jahrhunderte im Untergrund bestehen. Um diese Probleme behandeln zu können, muss der Schutz des Grundwassers basierend auf der Quantifizierung potentieller Gefährdungen des zumeist unzugänglichen Untergrundes erfolgen. Risikoabschätzungen von Grundwasserverschmutzungen können jedoch durch die Anwendung prozess-basierter Simulationsmodelle erheblich unterstützt werden, die sich besonders im Hinblick auf Langzeitvorhersagen als hilfreich erweisen und nicht experimentell ermittelbar sind. Derart zuverlässige Vorhersagen können jedoch nur erhalten werden, wenn das verwendete Modellierwerkzeug als anwendbar bekannt ist. Das Ziel dieser Arbeit bestand aus drei Teilen. Erstens wurde eine Quellstärke-funktion entwickelt, die das Ausbreitungsverhalten organischer Schadstoffe aus einer Punktquelle beschreibt und dadurch als zeitabhängige obere Randbedingung bei Transportmodellen dienen kann. Im Hinblick auf die allgemeine Anwendbarkeit dieser Funktion werden als Damköhler-Zahlen bekannte, dimensionslose Zahlen verwendet, um die Reaktion von Schadstoffen mit Feststoffen zu charakterisieren. Zwei Funktionen wurden abgeleitet und in ein Excel-Arbeitsblatt eingefügt, das ein praktisches Hilfsmittel bei der Quantifizierung des Freisetzungsverhaltens organischer Schadstoffe im Rahmen der Sickerwasserprognose darstellt. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Anwendung des prozessbasierten und mittels Laborexperimenten validierten Modellwerkzeugs SMART für Langzeitprognosen auf der Lysimeterskala anhand von Daten zweier Forschungszentren, FZJ (Jülich) und GSF (München). Ergebnisse reiner Vorwärtsmodellierungsläufe zeigten gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Daten. Im dritten Teil wurden die erhaltenen Quellstärkefunktionen in Kombination mit dem SMART-Modell eingesetzt, um das Grundwassergefährdungspotential unter einer typischen Deponie in Kwabenya, Ghana, einzuschätzen. Die vorhergesagten Durchbruchszeiten nach einer Leckage in der Deponie betragen über 200 Jahre bei einer Betriebszeit von 30 Jahren. Unter Berücksichtigung des Schadstoffabbaus verursacht die Deponie somit keine Grundwasserverunreinigung im Rahmen der simulierten Szenarien und das SMART-Modell kann verwendet werden, um Schadstoffgrenzwerte für organische Schadstoffe in der Deponie in Kwabenya festzulegen.

Soil and groundwater pollution has become a global issue since the advent of industrialization and mechanized agriculture. Some contaminants such as PAHs may persist in the subsurface for decades and centuries. In a bid to address these issues, protection of groundwater must be based on the quantification of potential threats to pollution at the subsurface which is often inaccessible. Risk assessment of groundwater pollution may however be strongly supported by applying process-based simulation models, which turn out to be particularly helpful with regard to long-term predictions, which cannot be undertaken by experiments. Such reliable predictions, however, can only be achieved if the used modeling tool is known to be applicable. The aim of this work was threefold. First, a source strength function was developed to describe the leaching behavior of point source organic contaminants and thereby acting as a time-dependent upper boundary condition for transport models. For general application of these functions dimensionless numbers known as Damköhler numbers were used to characterize the reaction of the pollutants with the solid matrix. Two functions were derived and have been incorporated into an Excel worksheet to act as a practical aid in the quantification of leaching behavior of organic contaminant in seepage water prognoses. Second, the process based model tool SMART, which is well validated for laboratory scale data, was applied to lysimeter scale data from two research centres, FZJ (Jülich) and GSF (München) for long term predictions. Results from pure forward model runs show a fairly good correlation with the measured data. Finally, the derived source term functions in combination with the SMART model were used to assess groundwater vulnerability beneath a typical landfill at Kwabenya in Ghana. The predicted breakthrough time after leaking from the landfill was more than 200 years considering the operational time of the facility (30 years). Considering contaminant degradation, the landfill would therefore not cause groundwater pollution under the simulated scenarios and the SMART model can be used to establish waste acceptance criteria for organic contaminants in the landfill at Kwabenya / Seit dem Beginn der Industrialisierung und der mechanisierten Landwirtschaft wurde die Boden- und Grundwasserverschmutzung zu einem weltweiten Problem. Einige Schadstoffe wie z. B. PAK können für Jahrzehnte oder Jahrhunderte im Untergrund bestehen. Um diese Probleme behandeln zu können, muss der Schutz des Grundwassers basierend auf der Quantifizierung potentieller Gefährdungen des zumeist unzugänglichen Untergrundes erfolgen. Risikoabschätzungen von Grundwasserverschmutzungen können jedoch durch die Anwendung prozess-basierter Simulationsmodelle erheblich unterstützt werden, die sich besonders im Hinblick auf Langzeitvorhersagen als hilfreich erweisen und nicht experimentell ermittelbar sind. Derart zuverlässige Vorhersagen können jedoch nur erhalten werden, wenn das verwendete Modellierwerkzeug als anwendbar bekannt ist. Das Ziel dieser Arbeit bestand aus drei Teilen. Erstens wurde eine Quellstärke-funktion entwickelt, die das Ausbreitungsverhalten organischer Schadstoffe aus einer Punktquelle beschreibt und dadurch als zeitabhängige obere Randbedingung bei Transportmodellen dienen kann. Im Hinblick auf die allgemeine Anwendbarkeit dieser Funktion werden als Damköhler-Zahlen bekannte, dimensionslose Zahlen verwendet, um die Reaktion von Schadstoffen mit Feststoffen zu charakterisieren. Zwei Funktionen wurden abgeleitet und in ein Excel-Arbeitsblatt eingefügt, das ein praktisches Hilfsmittel bei der Quantifizierung des Freisetzungsverhaltens organischer Schadstoffe im Rahmen der Sickerwasserprognose darstellt. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Anwendung des prozessbasierten und mittels Laborexperimenten validierten Modellwerkzeugs SMART für Langzeitprognosen auf der Lysimeterskala anhand von Daten zweier Forschungszentren, FZJ (Jülich) und GSF (München). Ergebnisse reiner Vorwärtsmodellierungsläufe zeigten gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Daten. Im dritten Teil wurden die erhaltenen Quellstärkefunktionen in Kombination mit dem SMART-Modell eingesetzt, um das Grundwassergefährdungspotential unter einer typischen Deponie in Kwabenya, Ghana, einzuschätzen. Die vorhergesagten Durchbruchszeiten nach einer Leckage in der Deponie betragen über 200 Jahre bei einer Betriebszeit von 30 Jahren. Unter Berücksichtigung des Schadstoffabbaus verursacht die Deponie somit keine Grundwasserverunreinigung im Rahmen der simulierten Szenarien und das SMART-Modell kann verwendet werden, um Schadstoffgrenzwerte für organische Schadstoffe in der Deponie in Kwabenya festzulegen.

In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe von Gefäßversuchen der Transfer von ausgewählten organischen (m-Kresol, Simazin, Lindan, Anthracen, Galaxolid) und anorganischen Umweltschadstoffen (As, Cd, Pb, Cr, Zn, Ni) aus dotiertem Substrat in Nutzpflanzen (Tomaten, Paprika) untersucht. Zum besseren Verständnis des Schadstofftransfers der organischen Verbindungen und als Möglichkeit einer kosten- und zeitsparenden Alternative zu den herkömmlichen Untersuchungsverfahren, wurden ergänzend in vivo – Experimente durchgeführt. Weitere Schwerpunkte der Arbeit waren Untersuchungen zur Schadstoffaufnahme durch Pflanzen in Abhängigkeit von der Substratkonzentration sowie der Vegetationsdauer. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten waren Studien über mögliche Einflüsse eines neuartigen Bodenverbesserungsmaterials auf die Schadstoffmobilität und Bioverfügbarkeit der oben genannten potentiellen Schadstoffe sowie die damit verbundene mögliche Aufnahme durch die Untersuchungspflanzen.

In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe von Gefäßversuchen der Transfer von ausgewählten organischen (m-Kresol, Simazin, Lindan, Anthracen, Galaxolid) und anorganischen Umweltschadstoffen (As, Cd, Pb, Cr, Zn, Ni) aus dotiertem Substrat in Nutzpflanzen (Tomaten, Paprika) untersucht. Zum besseren Verständnis des Schadstofftransfers der organischen Verbindungen und als Möglichkeit einer kosten- und zeitsparenden Alternative zu den herkömmlichen Untersuchungsverfahren, wurden ergänzend in vivo – Experimente durchgeführt. Weitere Schwerpunkte der Arbeit waren Untersuchungen zur Schadstoffaufnahme durch Pflanzen in Abhängigkeit von der Substratkonzentration sowie der Vegetationsdauer. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten waren Studien über mögliche Einflüsse eines neuartigen Bodenverbesserungsmaterials auf die Schadstoffmobilität und Bioverfügbarkeit der oben genannten potentiellen Schadstoffe sowie die damit verbundene mögliche Aufnahme durch die Untersuchungspflanzen.

Gestillte Kinder sind über die Muttermilch mit persistenten organischen Schadstoffen (POPs) belastet. Tierexperimentelle Studien deuten auf eine besondere Empfindlichkeit des sich entwickelnden Immunsystems für POPs hin. Mögliche Effekte dieser Verbindungen auf den kindlichen Organismus sind bisher kaum untersucht. Es wurden potenzielle Einflüsse verschiedener POPs (PCDDs, PCDFs, PCBs, beta-HCH, HCB und pp-DDE) auf natürliche Killerzellen (NK-Zellen) und NK-Aktivität bei gestillten im Vergleich zu nicht gestillten Kindern untersucht. NK-Zellen sind eine Lymphozytensubpopulation (CD3-CD56/16+), die über ihre zytotoxische Aktivität allogene, virusinfizierte und maligne Zellen ohne vorherige Sensibilisierung töten kann. Es wurden 66 gesunde Kinder im Alter von 11-12 Monaten untersucht, davon waren 50 Kinder mindestens 4 Monate lang voll gestillt und 16 Kinder nicht gestillt. Aus einer Region mit bekannter erhöhter PCDD/PCDF-Belastung stammten 13 gestillte Kinder. Die NK-Zellzahlen wurden mittels Immunphänotypisierung am Durchflusszytometer bestimmt. Die Aktivität der NK-Zellen wurde mit einem nicht-radioaktiven, durchflusszytometrischen Zytotoxizitäts-Assay gemessen. Die POP-Konzentrationen im Blutfett der Probanden wurden kommerziell bestimmt. Weder bei den NK-Zellzahlen, noch bei der NK-Aktivität konnten zwischen den gestillten und nicht-gestillten Kindern signifikante Unterschiede im t-Test nachgewiesen werden. In Korrelationsanalysen zeigten sich keine signifikanten Einflüsse der POP-Konzentrationen auf NK-Zellzahlen und NK-Aktivität. Im Laufe der Untersuchung zeigte sich, dass der eingesetzte Zytotoxizitäts-Assay nur semiquantitative Daten lieferte. Die vorliegenden Ergebnisse und weitere Befunde bezüglich des Immunsystems der Probanden weisen darauf hin, dass die relativ hohe Belastung lange gestillter Säuglinge mit POPs nicht zu einer biologischen Wirkung im kindlichen Organismus führt. Angesichts der nachgewiesenen positiven Effekte des Stillens, kann diesbezüglich die bestehende Stillempfehlung bekräftigt werden. / Breast-fed infants are exposed to persistent organic pollutants (POPs) via breast milk. Animal studies indicate a special sensitivity of the maturing immune system to POPs. Possible effects of these compounds on the infantile organism are so far barely examined. Potential influences of several POPs (PCDDs, PCDFs, PCBs, beta-HCH, HCB and pp-DDE) on natural killer (NK) cells and NK activity of breast-fed infants in comparison to formula-fed infants were investigated. NK cells are a subset of lymphocytes (CD3-CD56/16+) that can kill allogeneic, virus-infected and malignant cells via their cytotoxic activity without prior sensitization. The study group consisted of 66 healthy infants examined at age 11 to 12 months, of which 50 infants were breast-fed and 16 infants were formula-fed. 13 breast-fed infants came from a region with known increased PCDD/PCDF-burden. Numbers of NK cells were measured by flow cytometric immunophenotyping. NK activity was analysed by a non-radioactive flow cytometric cytotoxicity assay. POP concentrations in the blood fat of the probands were calculated commercially. There were no significant differences between breast-fed and formula-fed infants concerning number and activity of NK cells in the t-test. Analysis of correlation showed no significant influences of POP concentrations on the number and activity of NK cells. In the course of the study the data obtained by the employed cytotoxicity assay proved to be only semiquantitative. The presented findings and further results concerning the immune system of the study subjects suggest that the relatively high burden of long-term breast-fed infants with POPs does not lead to a biological effect in the infantile organism. Regarding the proven positive effects of breast-feeding the existing recommendation to breastfeed can be encouraged.