Knapp 25 Jahre nach dem ersten Auftreten der bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) in Europa, bleibt die Entfernung und unschädliche Beseitigung des sogenannten spezifizierten Risikomaterials (SRM) eine der wichtigsten Maßnahmen zur Reduzierung des humanen oralen BSE-Expositionsrisikos. Angesichts des Rückgangs der BSE-Inzidenzen in Europa hat sich die Europäische Kommission (EC) in ihrer „TSE Roadmap“ das Ziel gesetzt, die Auflistung und/oder die Alters-grenzen für das SRM schrittweise zu modifizieren. In diesem Sinne hat die EC die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) mehrfach aufgefordert, das BSE-Risiko anhand aktueller Daten neu zu bewerten, insbesondere das, welches von Rindernaturdärmen für den Verbraucher ausgeht. Die wissenschaftliche Bewertung des humanen BSE-Expositionsrisikos ist jedoch bis heute mit großen Unsicherheiten verbunden und deshalb sollten erfassbare Varianzeinflüsse so weit wie möglich reduziert werden. Nachdem experimentell BSE-Infektiosität im distalen Ileum demonstriert wurde, erfolgte vorsorglich die Einstufung des gesamten bovinen Darmes (Duodenum bis Rektum, einschließlich des Mesenteriums) als SRM. Eine der wesentlichen Eingangsgrößen bei der wissenschaftlichen Bewertung des Expositionsrisikos ist die Masse des in die Nahrungskette eingebrachten potentiell infektiösen Materials. Alle bis zum heutigen Zeitpunkt durchgeführten Risikobewertungen legten eine Masse von 800 g für das bovine Ileum zugrunde. Die eigenen Untersuchungen hatten das Ziel die Gewichtsangabe des bovinen Ileums zu validieren, die Effizienz des SRM-Verbotes zur Reduktion des humanen oralen BSE-Infektionsrisikos sowie das Infektionspotential nach der Bearbeitung des Darmes im Hinblick auf seine Einstufung als SRM einzuschätzen. Von 129 Schlachtrindern wurde das Ileum unter kontrollierten Bedingungen entnommen und in der Folge der technologischen Bearbeitung vermessen. Zudem wurden 13 bovine Ilea und 11 Jejuna jeweils vor und nach der manuellen Bearbeitung histologisch auf das Vorkommen von lymphatischem Gewebe untersucht. Das lymphatische Gewebe des Darmes stellt wahrscheinlich den Ort der Erregeraufnahme nach einer oralen BSE-Infektion dar. Wesentliches Ergebnis ist ein mittleres Gewicht für das bovine Ileum im entleerten und bearbeiteten Zustand von 57 g (Spannweite: 23,1 bis 135,8 g). Dieser Wert liegt im Vergleich zu der bisher verwendeten Eingangsgröße um eine Größenordnung niedriger. Im Hinblick auf die Effizienz des SRM-Verbots zur Risikoreduktion in der Lebensmittelkette ergibt sich mit den neuen Daten ein Anstieg von 95% auf 99% für das zentrale Nervensystem (ZNS) und das ZNS-nahe periphere Nervensystem. In den histologischen Untersuchungen konnte lymphatisches Gewebe nur bei einer der bearbeiteten Ileumproben (7.7%) und zwei der bearbeite-ten Jejunumproben (18,2%) gefunden werden. Dies zeigt, dass durch die Bearbeitung der Rinderdärme der größte Teil des lymphatischen Gewebes entfernt wird. Die vorliegenden Ergebnisse stützen die Aussage anderer Studien, dass durch die Reinigung der Därme signifikante Mengen an lymphatischem Gewebe entfernt werden. Aufgrund des niedrigen Ileumgewichtes und der effektiven Entfernung des lymphatischen Gewebes kann der Anteil des Ileums an der gesamten Infektiosität, bei einem klinisch an BSE erkrankten Rind, als sehr gering eingestuft werden. Das bovine Ileum ist nach vorliegender Untersuchung lediglich mit 1 % an der Gesamtinfektiosität beteiligt und nicht, wie bisher angenommenen, mit 3,3 % bzw. 9,6 %. Angesichts dieser Ergebnisse, der aktuellen BSE-Inzidenzen in Europa, der Verteilung und Höhe der BSE-Infektiosität im bovinen Darm wird, wie auch von einer Reihe anderer Autoren, die Übertragung von BSE durch Rinderdärme als ein vernachlässigbares Risiko angesehen. Vor diesem Hintergrund sollte der SRM-Status der Rinderdärme erneut geprüft und bewertet werden. / Nearly two and a half decades after the emergence of a new transmissible spongiform encephalopathy (TSE) in bovines (BSE) in Europe the ban on so called specified risk material (SRM) remains the most important measure to reduce any potential oral human BSE exposition risk from the food chain. In view of the overall and constant reduction of the frequency of bovine TSE cases in Europe the European Commission expressed in its “TSE-road map” the need for a future lifting of the SRM-ban and the European Food Safety Authority has been repeatedly asked by the European Commission to re-assess the BSE risk for the consumer on the basis of current data, amongst others the risk associated with natural bovine sausage casings. However, the scientific evaluation of the human BSE exposition risk is impeded by great uncertainties and ascertainable variances should be reduced as far as possible. After BSE-infectivity was demonstrated experimentally for the distal bovine ileum, the whole bovine intestine from duodenum to rectum including mesentery was categorized as specified risk material (SRM).The weight of potential infective material brought into the food chain is a major influencing variable in this context. All subsequent studies concerning the human BSE exposure risk have been based on an ileum weight of 800 g per adult cattle. The aim of the own studies was to validate the existing measurement of bovine ileum and its infectivity after processing with respect to the efficiency of the SRM ban for a risk reduction in the food chain. 129 ilea were removed from slaughtered cattle and weighted during subsequent technical processing. In parallel, 13 bovine ileum and 11 jejunum samples were analyzed histologically before and after manual processing in order to detect lymphatic tissue which is presumed to be the point of entry for the infective agent. The mean weight for the whole empty and processed ileum was 57 g ranging from 23.1 g to 135.8 g. This is one order of magnitude lower than the input level used to date. Residues of lymphatic tissue were detected in one of the processed ileum samples (7.7%) and two of the jejunum samples (18.2%). This means that the major part of lymphatic tissue is removed from the bovine intestine during the different processing steps. Our results are backed up by a number of studies made by other researchers who showed that significant quantities of lymphatic tissues are removed from the bovine intestine by cleaning.The ileum has to be recognized as only a minor fraction of the total infective load per animal due to its weight and the removal of most lymphatic tissue during processing. Contrary to previous assumptions that ileum amounts to 3.3 and 9.6% respectively of the total infective tissues this study clearly shows that this premise has to be corrected to 1%. Regarding these results in combination with the decreasing BSE incidences in Europe, the distribution and the amount of the BSE infectiosity the potential BSE-infectivity represented by the bovine intestine can be considered negligible. This assessment is shared by numerous authors. A possible amendment of the current SRM status of bovine intestine should be re-assessed.

Die bisherigen Untersuchungen zu den Folgen extremer Hochwasserereignisse beschäftigten sich überwiegend mit den durch hohe Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten verursachten direkten und tangiblen Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen. Den durch schadstoffhaltiges Hochwasser hervorgerufenen direkten und indirekten sowie in der Regel intangiblen Konsequenzen für Mensch und Umwelt ist - insbesondere im Hinblick auf deren räumliche Verteilung - im Rahmen des Hochwasserrisikomanagements nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet worden. Während Hochwasserereignissen können toxische Stoffe - wie beispielsweise Arsen, Blei, Cadmium oder Quecksilber sowie persistente organische Kontaminanten wie DDT oder HCH - aus belasteten Gewässer- und Ufersedimenten sowie Altstandorten und Altablagerungen freigesetzt werden. Diese Stoffe werden von der Hochwasserwelle aufgenommen, zum überwiegenden Teil partikulär gebunden transportiert und bei nachlassender Fließgeschwindigkeit und ablaufendem Hochwasser als Sedimente in den Überflutungsbereichen deponiert. In Abhängigkeit von der Nutzung der überschwemmten Gebiete sind nach einem Hochwasser unterschiedliche Rezeptoren den abgelagerten Sedimenten und darin enthaltenen Schadstoffen in der Regel langfristig ausgesetzt. Mögliche Rezeptoren sind zum Beispiel Menschen, Nutz- und Wildtiere, Futter- und Nahrungspflanzen sowie Böden mit ihren spezifischen Bodenfunktionen. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer räumlich differenzierten Methodik zur integrierten Analyse und Bewertung von stofflichen Hochwasserrisiken. Um deren Anwendbarkeit zu überprüfen, wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Fallstudie an Überflutungsbereichen entlang des Unterlaufes der Vereinigten Mulde zwischen Bitterfeld und Priorau erprobt, wobei der Fokus auf dem Rezeptor Mensch liegt. Die Methodik basiert auf der Integration von Verfahren der Hochwasserrisikoanalyse und der Schadstoffrisikoanalyse. Diese werden unter Verwendung eines angepassten Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzeptes kombiniert. Die Methodik besteht aus drei größeren Hauptelementen: (1.) der Gefahrenanalyse, (2.) der Expositionsanalyse und (3.) der Schadstoffrisikocharakterisierung und -bewertung. Die Gefahrenanalyse beschreibt die Freisetzung, den Transport und die Ablagerung der Stoffe in Abhängigkeit von der Hochwassercharakteristik, den Substanzeigenschaften sowie den Verteilungsprozessen nach der Ablagerung, beispielsweise dem Transfer vom Boden in die Pflanze. Ergebnisse der Gefahrenanalyse sind Karten der Schadstoffquellen in Form räumlich verteilter Stoffkonzentrationen in Umweltmedien wie Böden und Pflanzen. Die Expositionsanalyse stellt die Verbindung zwischen den Schadstoffquellen und den Rezeptoren her. Bindeglied sind Expositionspfade, beispielsweise die orale Aufnahme von kontaminiertem Boden oder der Verzehr von Pflanzen, die auf belasteten Böden angebaut werden. Teil der Expositionsanalyse ist eine so genannte Rezeptoranalyse, die - aus Landnutzungstypen abgeleitet - Vorkommen bestimmter Rezeptoren identifiziert und diese charakterisiert. Dabei bezieht die Rezeptoranalyse sowohl die räumliche Verteilung der Rezeptoren als auch deren Eigenschaften ein. Für den Rezeptor Mensch sind dies etwa physiologische Parameter wie Körpergewicht oder Atemrate sowie verhaltensbezogene Parameter wie Zeit-Aktivitätsbudgets oder Nahrungsaufnahmeraten. Daran anschließend wird mit der Expositionsanalyse im engeren Sinne die Exposition der Rezeptoren gegenüber bestimmten Stoffen quantifiziert, indem Transfer- und Aufnahmeraten von Expositionsmedien wie Boden, Nahrung oder Luft ermittelt und mit den darin enthaltenen Stoffkonzentrationen in Beziehung gesetzt werden. Ergebnis der Expositionsanalyse sind räumlich explizite Darstellungen der inneren Exposition, d.h. täglich aufgenommener resorbierter Schadstoffmengen. Darauf folgend werden im Zuge der Risikocharakterisierung die Effekte der Exposition mit Hilfe von Dosis-Wirkungsbeziehungen analysiert, die dann in Form von toxikologisch begründeten Referenzwerten als Basis für die finale stoffbezogene Risikobewertung dienen. Diese erfolgt durch Vergleich der inneren Exposition mit toxikologischen Referenzwerten in Form von tolerablen Aufnahmeraten. Die gesundheitlichen Risiken werden durch den Quotienten aus resorbierter Dosis und tolerabler Dosis beschrieben und als stoff- und pfadspezifischer Risikoindex flächenhaft dargestellt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Risiken mittels einer die Unsicherheiten der Referenzwerte berücksichtigenden Bewertungsfunktion. Die Methodik ist in Form eines GIS-basierten Rechenmodells umgesetzt und im Rahmen einer Fallstudie an der Vereinigten Mulde für verschiedene hydraulische Szenarien im Sinne simulierter Abflüsse verschiedener Jährlichkeiten - 100, 200 und 500 Jahre - erprobt worden. Als ausgewählte Ergebnisse liegen räumlich differenzierte Risikobewertungen für die Stoffe Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei unterschieden nach den Expositionsmedien Boden/Hausstaub, Luft sowie pflanzliche Nahrung vor. Exemplarisch seien hier ausgewählte Bewertungsergebnisse in Form des sogenannten Gefahrenwertes für ein HQ500-Szenario dargestellt: Durch die orale Aufnahme von Arsen über Boden/Hausstaub wird für den Rezeptor Kleinkinder räumlich begrenzt die Risikoschwelle überschritten, wobei die Handlungsschwelle nicht erreicht wird. Die Ergebnisse für Cadmium, Quecksilber und Blei liegen deutlich unter der Risikoschwelle. Ein ähnliches Bild zeigt sich für die Aufnahme über die Luft. Hier wird bei lebenslanger Exposition für Arsen die Risikoschwelle überschritten, für die anderen Stoffe werden Gefahrenwerte weit unter der Risikoschwelle ermittelt. Bezogen auf den Verzehr von Nahrungspflanzen aus Eigenanbau zeigen sich bei lebenslanger Exposition für Cadmium großräumig erhebliche Überschreitungen des Handlungsschwellenwertes. Für die anderen Stoffe finden sich nahezu flächendeckend Überschreitungen des Risikoschwellenwertes, die aber nicht an die Maßnahmenschwelle heranreichen. / Research on the consequences of flood events has so far focused on direct tangible damages to buildings and infrastructure caused by high water levels and flow velocities. In the context of flood risk management only little interest has been paid to direct and indirect as well as dominantly intangible consequences caused by flood pollutants to human and ecological receptors - especially taking their spatial distribution into account. During floods toxic substances such as trace elements (e.g. Arsenium, Cadmium, Mercury, Lead, Zinc) and persistent organic pollutants (e.g. HCHs, DDX) can be released from contaminated river bank sediments or former industrial sites. These substances are taken up by the flood water, get transported - mainly bound to fine particles - and get deposited as sediments in the floodplain in case of decreasing flow velocities. Depending on the land use in the floodplain, different receptors can be exposed to the sediments with the associated contaminants. Potential receptors are humans, livestock, wild animals, food and fodder plants as well as soils with their specific soil functions. The core of this thesis is the development of a spatially explicit methodology which enables the integrated analysis and evaluation of substance-based flood risks. To test the applicability, the developed methodology is applied within a case study dealing with floodplains along the lower reaches of the Vereinigte Mulde River situated between Bitterfeld and Priorau (Saxony-Anhalt, Germany). In this case study, the focus is on the receptor man or, more specifically, human health. The methodology is based on an integration of procedures from the fields of flood risk analysis and contaminant risk analysis. These procedures are integrated using an adopted Source-Pathway-Receptor-Consequence concept. The three main elements of the methodology are hazard analysis, exposure analysis and contaminant risk determination and evaluation. At first, the hazard analysis describes the release, transport and deposition of substances based on flood characteristics and substance properties as well as fate and transfer processes after sedimentation (e.g. soil-to-plant transfer). Results of the hazard analysis are maps of spatially distributed substance concentrations in environmental media such as soils and plants, i.e. the (secondary) contaminant sources. Within the exposure analysis the linkages between the contaminant sources and the receptors are described. Connecting elements are exposure pathways such as the ingestion of contaminated soil or the consumption of food produced on such soils. Part of the exposure analysis is a so-called receptor analysis which indicates and characterises potential human receptors that are derived from land-use types. The receptor analysis takes the receptors\' spatial distribution as well as certain properties into account. Taking the receptor human, these properties are physiological parameters such as body weight or respiration rate and behavioural parameters, e.g. activity budgets or food consumption patterns. Subsequently, with the exposure analysis in a narrower sense, the exposure of the receptors to a certain substance is quantified by calculating transfer and intake rates of exposure media such as soil, food or air taking into account the corresponding substance concentrations in these media. Results of the exposure analysis are spatially explicit representations of absorbed contaminant amounts for a certain receptor, i.e. daily resorbed exposure doses. In the course of the contaminant risk determination, the effects (consequences) of the receptors\' exposure are analysed by dose-response relationships, setting the basis for the final substance-based risk assessment in terms of toxicologically derived reference values. Health risks are expressed as ratio between calculated resorbed dose and tolerable resorbed dose and are presented as maps of substance- and pathway-specific risk indices. In a final step, an evaluation is carried out based on a method that takes the uncertainty of the toxicological reference values into account. The methodology has been implemented in a GIS-based calculation model and was applied within a case study to simulate floods with certain return periods (100, 200, and 500 years). Selected results are spatially differentiated risk evaluations for the substances arsenic, cadmium, mercury and lead distinguished based on the exposure media soil/house dust, air and home-grown vegetable food. Taking the 500-year flood-scenario and the risk evaluation value as an example, the following results have been derived: the oral intake of arsenic via soil/house dust leads to a spatially restricted exceedance of the risk level of the receptor infant, whereas the action level is not reached. The results of cadmium, mercury and lead are clearly below the risk level. A similiar pattern shows for the pulmonary intake via air. Based on lifetime exposure, the risk level for arsenic is exceeded, for all other substances the values are far below the risk level. Considering the intake of cadmium via consumption of home-grown vegetables, the action level is notably exceeded in large areas. The other substances show a nearly general exceedance of the risk level without reaching the action level.

No description available.

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Die bisherigen Untersuchungen zu den Folgen extremer Hochwasserereignisse beschäftigten sich überwiegend mit den durch hohe Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten verursachten direkten und tangiblen Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen. Den durch schadstoffhaltiges Hochwasser hervorgerufenen direkten und indirekten sowie in der Regel intangiblen Konsequenzen für Mensch und Umwelt ist - insbesondere im Hinblick auf deren räumliche Verteilung - im Rahmen des Hochwasserrisikomanagements nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet worden. Während Hochwasserereignissen können toxische Stoffe - wie beispielsweise Arsen, Blei, Cadmium oder Quecksilber sowie persistente organische Kontaminanten wie DDT oder HCH - aus belasteten Gewässer- und Ufersedimenten sowie Altstandorten und Altablagerungen freigesetzt werden. Diese Stoffe werden von der Hochwasserwelle aufgenommen, zum überwiegenden Teil partikulär gebunden transportiert und bei nachlassender Fließgeschwindigkeit und ablaufendem Hochwasser als Sedimente in den Überflutungsbereichen deponiert. In Abhängigkeit von der Nutzung der überschwemmten Gebiete sind nach einem Hochwasser unterschiedliche Rezeptoren den abgelagerten Sedimenten und darin enthaltenen Schadstoffen in der Regel langfristig ausgesetzt. Mögliche Rezeptoren sind zum Beispiel Menschen, Nutz- und Wildtiere, Futter- und Nahrungspflanzen sowie Böden mit ihren spezifischen Bodenfunktionen. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer räumlich differenzierten Methodik zur integrierten Analyse und Bewertung von stofflichen Hochwasserrisiken. Um deren Anwendbarkeit zu überprüfen, wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Fallstudie an Überflutungsbereichen entlang des Unterlaufes der Vereinigten Mulde zwischen Bitterfeld und Priorau erprobt, wobei der Fokus auf dem Rezeptor Mensch liegt. Die Methodik basiert auf der Integration von Verfahren der Hochwasserrisikoanalyse und der Schadstoffrisikoanalyse. Diese werden unter Verwendung eines angepassten Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzeptes kombiniert. Die Methodik besteht aus drei größeren Hauptelementen: (1.) der Gefahrenanalyse, (2.) der Expositionsanalyse und (3.) der Schadstoffrisikocharakterisierung und -bewertung. Die Gefahrenanalyse beschreibt die Freisetzung, den Transport und die Ablagerung der Stoffe in Abhängigkeit von der Hochwassercharakteristik, den Substanzeigenschaften sowie den Verteilungsprozessen nach der Ablagerung, beispielsweise dem Transfer vom Boden in die Pflanze. Ergebnisse der Gefahrenanalyse sind Karten der Schadstoffquellen in Form räumlich verteilter Stoffkonzentrationen in Umweltmedien wie Böden und Pflanzen. Die Expositionsanalyse stellt die Verbindung zwischen den Schadstoffquellen und den Rezeptoren her. Bindeglied sind Expositionspfade, beispielsweise die orale Aufnahme von kontaminiertem Boden oder der Verzehr von Pflanzen, die auf belasteten Böden angebaut werden. Teil der Expositionsanalyse ist eine so genannte Rezeptoranalyse, die - aus Landnutzungstypen abgeleitet - Vorkommen bestimmter Rezeptoren identifiziert und diese charakterisiert. Dabei bezieht die Rezeptoranalyse sowohl die räumliche Verteilung der Rezeptoren als auch deren Eigenschaften ein. Für den Rezeptor Mensch sind dies etwa physiologische Parameter wie Körpergewicht oder Atemrate sowie verhaltensbezogene Parameter wie Zeit-Aktivitätsbudgets oder Nahrungsaufnahmeraten. Daran anschließend wird mit der Expositionsanalyse im engeren Sinne die Exposition der Rezeptoren gegenüber bestimmten Stoffen quantifiziert, indem Transfer- und Aufnahmeraten von Expositionsmedien wie Boden, Nahrung oder Luft ermittelt und mit den darin enthaltenen Stoffkonzentrationen in Beziehung gesetzt werden. Ergebnis der Expositionsanalyse sind räumlich explizite Darstellungen der inneren Exposition, d.h. täglich aufgenommener resorbierter Schadstoffmengen. Darauf folgend werden im Zuge der Risikocharakterisierung die Effekte der Exposition mit Hilfe von Dosis-Wirkungsbeziehungen analysiert, die dann in Form von toxikologisch begründeten Referenzwerten als Basis für die finale stoffbezogene Risikobewertung dienen. Diese erfolgt durch Vergleich der inneren Exposition mit toxikologischen Referenzwerten in Form von tolerablen Aufnahmeraten. Die gesundheitlichen Risiken werden durch den Quotienten aus resorbierter Dosis und tolerabler Dosis beschrieben und als stoff- und pfadspezifischer Risikoindex flächenhaft dargestellt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Risiken mittels einer die Unsicherheiten der Referenzwerte berücksichtigenden Bewertungsfunktion. Die Methodik ist in Form eines GIS-basierten Rechenmodells umgesetzt und im Rahmen einer Fallstudie an der Vereinigten Mulde für verschiedene hydraulische Szenarien im Sinne simulierter Abflüsse verschiedener Jährlichkeiten - 100, 200 und 500 Jahre - erprobt worden. Als ausgewählte Ergebnisse liegen räumlich differenzierte Risikobewertungen für die Stoffe Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei unterschieden nach den Expositionsmedien Boden/Hausstaub, Luft sowie pflanzliche Nahrung vor. Exemplarisch seien hier ausgewählte Bewertungsergebnisse in Form des sogenannten Gefahrenwertes für ein HQ500-Szenario dargestellt: Durch die orale Aufnahme von Arsen über Boden/Hausstaub wird für den Rezeptor Kleinkinder räumlich begrenzt die Risikoschwelle überschritten, wobei die Handlungsschwelle nicht erreicht wird. Die Ergebnisse für Cadmium, Quecksilber und Blei liegen deutlich unter der Risikoschwelle. Ein ähnliches Bild zeigt sich für die Aufnahme über die Luft. Hier wird bei lebenslanger Exposition für Arsen die Risikoschwelle überschritten, für die anderen Stoffe werden Gefahrenwerte weit unter der Risikoschwelle ermittelt. Bezogen auf den Verzehr von Nahrungspflanzen aus Eigenanbau zeigen sich bei lebenslanger Exposition für Cadmium großräumig erhebliche Überschreitungen des Handlungsschwellenwertes. Für die anderen Stoffe finden sich nahezu flächendeckend Überschreitungen des Risikoschwellenwertes, die aber nicht an die Maßnahmenschwelle heranreichen.:1 Zielstellung und Einführung 1.1 Zielstellung 1.2 Problemaufriss 1.3 Stand der Forschung 1.4 Kapitelübersicht 2 Grundlagen und Rahmenkonzepte zu Risiken 2.1 Grundbegriffe 2.2 Risikobegriffe und -konzepte 2.2.1 Risikodefinitionen 2.2.2 Analyse und Bewertung von Risiken 2.2.3 SPRC-Konzept 2.2.4 Zyklus-Konzepte des Risikomanagements 2.3 Hochwasserrisiken 2.3.1 Hochwasserrisikomanagement 2.3.2 Hochwassergefahrenanalyse 2.3.3 Vulnerabilitätsanalyse 2.3.4 Hochwasserrisikoermittlung 2.4 Schadstoffrisiken 2.4.1 Gefahrenidentifikation 2.4.2 Dosis-Wirkungsanalyse 2.4.3 Expositionsanalyse 2.4.4 Risikocharakterisierung 2.5 Risikobewertung 2.5.1 Allgemeine Grundlagen 2.5.2 Bewertung von Hochwasserrisiken 2.5.3 Bewertung von Schadstoffrisiken 2.5.4 Vergleichende Risikobewertung 2.6 Risikosteuerung 2.6.1 Maßnahmen 2.6.2 Rechtliche Instrumente 3 Konzeption der Methodik 3.1 Gesamtkonzept einer integrierten Analyse- und Bewertungsmethodik 3.2 Gefahrenanalyse 3.3 Expositionsanalyse mit Rezeptoranalyse 3.4 Risikocharakterisierung 3.5 Risikobewertung 3.6 Unsicherheitsanalyse 3.7 Gesamtablauf der Methodik 4 Erprobung und Implementierung der Methodik 4.1 Fallstudie Vereinigte Mulde bei Bitterfeld 4.1.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 4.1.2 Szenarioansatz und Szenarien 4.2 Gefahrenanalyse 4.3 Rezeptoranalyse 4.4 Expositionsanalyse 4.4.1 GIS-Implementierung 4.4.2 Expositionsmodellierung 4.4.3 Expositionsmedien Sediment, Boden, Hausstaub 4.4.4 Expositionsmedium Luft 4.4.5 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 4.5 Risikocharakterisierung 4.6 Risikobewertung 4.7 Unsicherheitsanalyse 5 Empirische Ergebnisse 5.1 Gefahrenanalyse 5.1.1 Bodenkonzentrationen Basisszenario 5.1.2 Bodenkonzentrationen Hochwasserszenarien 5.2 Rezeptoranalyse 5.3 Expositionsanalyse und Risikocharakterisierung 5.4 Risikobewertung 5.4.1 Expositionsmedien Boden und Hausstaub 5.4.2 Expositionsmedium Luft 5.4.3 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 5.5 Unsicherheitsanalyse 5.5.1 Expositionsmedium Boden/Hausstaub 6 Diskussion und Ausblick 6.1 Methodik 6.2 Empirische Ergebnisse 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abkürzungs- und Akronymverzeichnis Anhang / Research on the consequences of flood events has so far focused on direct tangible damages to buildings and infrastructure caused by high water levels and flow velocities. In the context of flood risk management only little interest has been paid to direct and indirect as well as dominantly intangible consequences caused by flood pollutants to human and ecological receptors - especially taking their spatial distribution into account. During floods toxic substances such as trace elements (e.g. Arsenium, Cadmium, Mercury, Lead, Zinc) and persistent organic pollutants (e.g. HCHs, DDX) can be released from contaminated river bank sediments or former industrial sites. These substances are taken up by the flood water, get transported - mainly bound to fine particles - and get deposited as sediments in the floodplain in case of decreasing flow velocities. Depending on the land use in the floodplain, different receptors can be exposed to the sediments with the associated contaminants. Potential receptors are humans, livestock, wild animals, food and fodder plants as well as soils with their specific soil functions. The core of this thesis is the development of a spatially explicit methodology which enables the integrated analysis and evaluation of substance-based flood risks. To test the applicability, the developed methodology is applied within a case study dealing with floodplains along the lower reaches of the Vereinigte Mulde River situated between Bitterfeld and Priorau (Saxony-Anhalt, Germany). In this case study, the focus is on the receptor man or, more specifically, human health. The methodology is based on an integration of procedures from the fields of flood risk analysis and contaminant risk analysis. These procedures are integrated using an adopted Source-Pathway-Receptor-Consequence concept. The three main elements of the methodology are hazard analysis, exposure analysis and contaminant risk determination and evaluation. At first, the hazard analysis describes the release, transport and deposition of substances based on flood characteristics and substance properties as well as fate and transfer processes after sedimentation (e.g. soil-to-plant transfer). Results of the hazard analysis are maps of spatially distributed substance concentrations in environmental media such as soils and plants, i.e. the (secondary) contaminant sources. Within the exposure analysis the linkages between the contaminant sources and the receptors are described. Connecting elements are exposure pathways such as the ingestion of contaminated soil or the consumption of food produced on such soils. Part of the exposure analysis is a so-called receptor analysis which indicates and characterises potential human receptors that are derived from land-use types. The receptor analysis takes the receptors\' spatial distribution as well as certain properties into account. Taking the receptor human, these properties are physiological parameters such as body weight or respiration rate and behavioural parameters, e.g. activity budgets or food consumption patterns. Subsequently, with the exposure analysis in a narrower sense, the exposure of the receptors to a certain substance is quantified by calculating transfer and intake rates of exposure media such as soil, food or air taking into account the corresponding substance concentrations in these media. Results of the exposure analysis are spatially explicit representations of absorbed contaminant amounts for a certain receptor, i.e. daily resorbed exposure doses. In the course of the contaminant risk determination, the effects (consequences) of the receptors\' exposure are analysed by dose-response relationships, setting the basis for the final substance-based risk assessment in terms of toxicologically derived reference values. Health risks are expressed as ratio between calculated resorbed dose and tolerable resorbed dose and are presented as maps of substance- and pathway-specific risk indices. In a final step, an evaluation is carried out based on a method that takes the uncertainty of the toxicological reference values into account. The methodology has been implemented in a GIS-based calculation model and was applied within a case study to simulate floods with certain return periods (100, 200, and 500 years). Selected results are spatially differentiated risk evaluations for the substances arsenic, cadmium, mercury and lead distinguished based on the exposure media soil/house dust, air and home-grown vegetable food. Taking the 500-year flood-scenario and the risk evaluation value as an example, the following results have been derived: the oral intake of arsenic via soil/house dust leads to a spatially restricted exceedance of the risk level of the receptor infant, whereas the action level is not reached. The results of cadmium, mercury and lead are clearly below the risk level. A similiar pattern shows for the pulmonary intake via air. Based on lifetime exposure, the risk level for arsenic is exceeded, for all other substances the values are far below the risk level. Considering the intake of cadmium via consumption of home-grown vegetables, the action level is notably exceeded in large areas. The other substances show a nearly general exceedance of the risk level without reaching the action level.:1 Zielstellung und Einführung 1.1 Zielstellung 1.2 Problemaufriss 1.3 Stand der Forschung 1.4 Kapitelübersicht 2 Grundlagen und Rahmenkonzepte zu Risiken 2.1 Grundbegriffe 2.2 Risikobegriffe und -konzepte 2.2.1 Risikodefinitionen 2.2.2 Analyse und Bewertung von Risiken 2.2.3 SPRC-Konzept 2.2.4 Zyklus-Konzepte des Risikomanagements 2.3 Hochwasserrisiken 2.3.1 Hochwasserrisikomanagement 2.3.2 Hochwassergefahrenanalyse 2.3.3 Vulnerabilitätsanalyse 2.3.4 Hochwasserrisikoermittlung 2.4 Schadstoffrisiken 2.4.1 Gefahrenidentifikation 2.4.2 Dosis-Wirkungsanalyse 2.4.3 Expositionsanalyse 2.4.4 Risikocharakterisierung 2.5 Risikobewertung 2.5.1 Allgemeine Grundlagen 2.5.2 Bewertung von Hochwasserrisiken 2.5.3 Bewertung von Schadstoffrisiken 2.5.4 Vergleichende Risikobewertung 2.6 Risikosteuerung 2.6.1 Maßnahmen 2.6.2 Rechtliche Instrumente 3 Konzeption der Methodik 3.1 Gesamtkonzept einer integrierten Analyse- und Bewertungsmethodik 3.2 Gefahrenanalyse 3.3 Expositionsanalyse mit Rezeptoranalyse 3.4 Risikocharakterisierung 3.5 Risikobewertung 3.6 Unsicherheitsanalyse 3.7 Gesamtablauf der Methodik 4 Erprobung und Implementierung der Methodik 4.1 Fallstudie Vereinigte Mulde bei Bitterfeld 4.1.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 4.1.2 Szenarioansatz und Szenarien 4.2 Gefahrenanalyse 4.3 Rezeptoranalyse 4.4 Expositionsanalyse 4.4.1 GIS-Implementierung 4.4.2 Expositionsmodellierung 4.4.3 Expositionsmedien Sediment, Boden, Hausstaub 4.4.4 Expositionsmedium Luft 4.4.5 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 4.5 Risikocharakterisierung 4.6 Risikobewertung 4.7 Unsicherheitsanalyse 5 Empirische Ergebnisse 5.1 Gefahrenanalyse 5.1.1 Bodenkonzentrationen Basisszenario 5.1.2 Bodenkonzentrationen Hochwasserszenarien 5.2 Rezeptoranalyse 5.3 Expositionsanalyse und Risikocharakterisierung 5.4 Risikobewertung 5.4.1 Expositionsmedien Boden und Hausstaub 5.4.2 Expositionsmedium Luft 5.4.3 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 5.5 Unsicherheitsanalyse 5.5.1 Expositionsmedium Boden/Hausstaub 6 Diskussion und Ausblick 6.1 Methodik 6.2 Empirische Ergebnisse 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abkürzungs- und Akronymverzeichnis Anhang

Urban emissions of antibiotics into the environment have the potential to adversely affect terrestrial and aquatic organisms. Developed standardized test methods allow the quantification of the resulting ecotoxicological risk, which strongly relies on a comprehensive situation analysis by predicting or measuring a representative antibiotic concentration of interest. Predicting the input loads of antibiotics to wastewater treatment plants using secondary input data (e.g. prescriptions) is a reasonable method if no analytical data is available. The absence of such data poses the question of an aquired reasonable sample quantity to capture local seasonal differences in prescriptions as well as flow conditions within the catchment area. Both, the theoretical and measurement based determination of environmental concentrations have been scarcely verified in practice. Hence, high resolution prescription data in combination with an extensive monitoring campaign at the wastewater treatment plant Dresden-Kaditz (WWTP) were used as a basis to evaluate the reliability of predicting and measuring urban antibiotic emissions. As expected, the recovery of antibiotic input loads strongly varies among substances. The group of macrolides as well as sulfamethoxazole and trimethoprim were almost fully recovered whereas nearly all substances of the beta-lactam family exhibit high elimination rates during the wastewater transport in the sewer system. Yet other antibiotics (e.g. fluoroquinolones) show distinct fluctuations through the year, which was not obvious from relatively constant prescriptions. The latter substances are an example that available data are not per se sufficient to predict the actual release into the environment which, in certain cases, emphasizes the necessity of adequate measuring campaings. The extensive data pool of this study was hence used to calculate the necessary number of samples to determine a representative annual mean load to the WWTP. Based on the applied approach, a minimum number of 20 to 40 samples per year is proposed to reasonably estimate a representative annual input load of antibiotics and other micropollutants. Regarding the WWTP, the mass flow analysis revealed that macrolides, clindamycin/ clindamycin-sulfoxide and trimethoprim were mainly released with the effluent, while penicillins, cephalosporins as well as sulfamethoxazole were partly degraded in the studied WWTP. Levofloxacin and ciprofloxacin are the only antibiotics under investigation with a significant mass fraction bound to primary, excess and digested sludge. In this context, the sludge concentrations are considered to be highly inconsistent which leads to questionable results. It remains unclear whether the inconsistencies are due to insufficiencies in sampling and/or analytical determination or if the fluctuations can be considered reasonable for digesters. Subsequently, verified antibiotic loads were evaluated regarding their ecotoxicological effects in the aquatic environment. Two approaches were applied (1) to address the ecological impact on individual trophic levels algae, daphnia and fish, and (2) to assess the possible synergistic potential of antibiotic combinations. Ciprofloxacin, levofloxacin and the group of cephalosporins showed to significantly affect the aquatic environment. They either have the highest impact on (one of) the lowest trophic level(s) or disproportionately increase the ecotoxicological risk due to their synergistic characteristics. In this regard, the deficiencies regarding the input prediction of these antibiotics is of particular concern. The underestimation of such critical mass flow conditions weakens the approach of assessing environmental risks on the basis of secondary data like prescriptions. Hence, efforts must be made to further develop the projection model by improving the quality of secondary data, identifying additional emitters and understanding possible retention and degradation dynamics of antibiotics within the sewer system.:Abstract 2 Danksagung 1 Table of Contents 1 Chapter 1 – Introduction 1 Scope 1 Goals and structure 3 Approach and Methods 5 Chapter 2 – Representative input load of antibiotics to WWTPs: Predictive accuracy and determination of a required sampling quantity 11 Introduction 14 Materials and Methods 16 Results and discussion 24 Conclusion 38 References 39 Chapter 3 – Mass flow of antibiotics in a wastewater treatment plant focusing on removal variations due to operational parameters 41 Introduction 45 Materials and Methods 47 Results and discussion 52 Conclusions 65 References 66 Chapter 4 – Species-related risk assessment of antibiotics using the probability distribution of long-term toxicity data as weighting function – a case study 71 Introduction 74 Materials and Methods 75 Results and discussion 86 Conclusions and summary 93 References 95 Chapter 5 – Environmental risk assessment of antibiotics including synergistic and antagonistic combination effects 99 Materials and Methods 104 Results 113 Discussion 120 Conclusions and summary . 125 References 126 Chapter 6 – Results and conclusions 129 Individual results 131 Aggregation of results 133 Final conclusions 134 References 139 Annex 1 – Supplementary material Chapter 2 141 Annex 2 – Supplementary material Chapter 3 147 Annex 3 – Supplementary material Chapter 4 159 Annex 4 – Supplementary material Chapter 5 177 / In der Humanmedizin eingesetzte Antibiotika werden im menschlichen Körper nicht vollständig metabolisiert und gelangen über die Ausscheidungen in das kommunale Abwasser. In der Kläranlage erfolgt nur eine unvollständige Elimination dieser Stoffe, so dass der Kläranlagenablauf einen Hot Spot für Antibiotikaemissionen in die Umwelt darstellt. Das induzierte ökotoxikologische Risiko kann anhand standardisierter Testverfahren und allgemein anerkannter Bewertungsansätze für Einzelsubstanzen abgeschätzt werden. Erfolgt jedoch die Betrachtung von Antibiotikagemischen, wie es für den gereinigten Ablauf einer Kläranlage sinnvoll ist, sind aufgrund zumeist unspezifischer Wirkmechanismen und dem Mangel an repräsentativen Daten eine Reihe von Vereinfachungen und Annahmen zu treffen. Es besteht in der Folge die Gefahr einer Unterschätzung des durch Substanzgemische hervorgerufenen ökotoxikologischen Risikos. Eine vielversprechende Möglichkeit den Entscheidungsprozess über mögliche Vermeidungs- und Eliminationsmaßnahmen zu unterstützen besteht in der Priorisierung von Antibiotika entsprechend ihres Effektpotentials. Hierbei sind Substanzen zu identifizieren, die den größten Einfluss auf die Nahrungskette im Gewässer bzw. das höchste (negative) Synergiepotential mit anderen Substanzen aufweisen. Die Verringerung dieser Substanzen führt zu einer hohen ökologischen Effektivität und Effizienz der eingesetzten Mittel. Wie im Fall des klassischen Bewertungsansatzes, ist auch für den Priorisierungsansatz eine umfängliche und zuverlässige Situationsanalyse die Grundvoraussetzung für verwertbare Ergebnisse. Die Situationsanalyse beruht auf der analytischen Bestimmung bzw. der Abschätzung von emittierten Antibiotikafrachten zur Berechnung von repräsentativen Umweltkonzentrationen. Analytisch ermittelte Umweltkonzentrationen vieler Antibiotika weisen aufgrund saisonaler Verschreibungsmuster eine hohe zeitliche und räumliche Variabilität auf. Die für eine adäquate Erfassung der Situation notwendigen Messkampagnen sind kostenintensiv, wobei die tatsächlich notwendige Häufigkeit der Probenahme von zumeist nicht hinreichend bekannten substanzspezifischen Informationen, wie der chemischen Stabilität im Rohabwasser und der saisonal beeinflussten Applikation, abhängt. Alternativ können Antibiotikaeinträge in die Kanalisation anhand von Verschreibungsdaten abgeschätzt und mit Hilfe von Stoffflussanalysen (SFA) zur ökotoxikologischen Bewertung herangezogen werden. Eine vom Umfang befriedigende, direkte Gegenüberstellung von prognostizierten und analytisch ermittelten Frachten ist bisher jedoch nicht erfolgt, so dass die Verifizierung dieses Ansatzes noch aussteht. Für den Fall einer bestehenden Verschreibungspflicht für Antibiotika besitzen Verschreibungsdaten eine vergleichsweise hohe zeitliche und räumliche Informationsgüte. In Verbindung mit einer an diese Datenqualität angepassten Messkampagne, ergibt sich die Möglichkeit einer detaillierten SFA mit substanzspezifischer Bewertung der Eignung des Prognoseansatzes. Die am Beispiel der Stadt Dresden durchgeführte Bewertung des Prognoseansatzes fußt auf einer 15-monatigen Messkampagne und den für das Einzugsgebiet der Zentralkläranlage Dresden-Kaditz verfügbaren Verschreibungsdaten der AOK PLUS. Erwartungsgemäß ergibt der Abgleich von erwarteten und analytisch ermittelten Frachten eine starke Variation der für den Zulauf der Kläranlage ermittelten Wiederfindungsdaten verschiedener Substanzen. Die analytisch ermittelten Frachten von Sulfamethoxazol, Trimethoprim sowie der Gruppe der Makrolid-Antibiotika entsprechen nahezu den prognostizierten Mengen. Die Beta-Laktam-Antibiotika unterliegen bereits während des Abwassertransports einer umfänglichen, zumeist biologisch bedingten, Elimination, was zu hohen Unterbefunden im Zulauf der Kläranlage führt. Andere Substanzen hingegen (z.B. Fluorchinolone) weisen messtechnisch eine signifikante Jahresdynamik auf, die aufgrund der weitgehend konstanten Verschreibung in dieser Ausprägung nicht zu erwarten ist. Die Auswertung zuletzt genannter Substanzen zeigt deutlich, dass die Nutzung von Verschreibungsdaten nicht per se ausreicht, um die Emission von Antibiotika (und anderer Pharmazeutika) sowie die sich daraus ergebenden Umweltkonzentrationen mit ausreichender Sicherheit prognostizieren zu können. Für eine nachgelagerte ökotoxikologische Bewertung ist in diesen Fällen die Durchführung von Messungen unumgänglich. Zur effizienten Planung derartiger Kampagnen wurde der umfassende Datenpool dieser Studie hinsichtlich der erforderlichen Probenanzahl zur Bestimmung einer repräsentativen mittleren Jahresfracht ausgewertet. Es ergibt sich ein Minimum von 20 bis 40 homogen über das Jahr verteilten Proben, um die jährlich in die Kläranlage eingetragene Fracht an Antibiotika bzw. anderer Mikroschadstoffe mit ausreichender Sicherheit abschätzen zu können. Im Rahmen der SFA in der Kläranlage Dresden-Kaditz wird deutlich, dass Makrolide, Clindamycin und dessen Humanmetabolit Clindamycin-Sulfoxid sowie Trimethoprim in der nahezu keiner Elimination unterliegen, wohingegen Penizilline, Cefalosporine und auch Sulfamethoxazol teilweise bis vollständig abgebaut werden. Mit Levofloxacin und Ciprofloxacin handelt es sich um die einzigen untersuchten Antibiotika, welche zu einem signifikanten Massenanteil an Primär-, Überschuss- und Faulschlamm gebunden vorgefunden werden. Aufgrund der hohen Relevanz dieses Eliminationspfades für die zuvor genannten Antibiotika bedarf die Beobachtung von z. T. widersprüchlichen Schwankungen einer kritischen Betrachtung der Ergebnisse. Es ist nicht abschließend geklärt, ob die beobachteten Fluktuationen auf eine unzureichende Qualität der Probenahme und/oder der Analytik zurückzuführen sind oder sich die Schwankungen in einem für Faulbehälter tolerierbaren Bereich befinden. Im Anschluss an die verifizierten Antibiotikaemissionen erfolgte die Priorisierung der betrachteten Antibiotika nach ihrem ökotoxikologischen Effektpotential. Zum einen wurde der ökologische Einfluss auf verschiedene, die Nahrungskette bildende trophische Ebenen (Alge, Daphnie, Fisch) untersucht. In Anlehnung an die humanmedizinische Kombinationstherapie erfolgte im zweiten Ansatz die Beurteilung der Antibiotika hinsichtlich ihres möglichen Potentials zur Verstärkung von negativen Effekten durch das gleichzeitige Auftreten mit anderen Substanzen. Für Ciprofloxacin, Levofloxacin und die Gruppen der Makrolide und Cefalosporine konnten signifikante Beeinträchtigungen der aquatischen Umwelt nachgewiesen werden. Diese Stoffe und Stoffgruppen führten im Rahmen der untersuchten Substanzen entweder zur höchsten Schadwirkung gegenüber der niedrigsten trophischen Ebene oder besitzen das höchste Synergiepotential in Kombination mit anderen Substanzen. Die Auswertung der SFA bestätigt die grundsätzliche Eignung der Verschreibungsdaten sowie des entwickelten Prognosemodells zur Vorhersage von Antibiotikaemissionen im urbanen Raum. Die Stoffflussanalyse stellt somit ein strategisches, im Vergleich zur Messung kostengünstiges Instrument zur Identifikation von Hot Spots der Antibiotikaemission dar und erleichtert die Entscheidungsfindung für monetär aufwendige Reduktionsmaßnahmen am Ort der Entstehung oder in der Kläranlage (z.B. 4. Reinigungsstufe). Die Vorgehensweise zur Priorisierung von Substanzen hinsichtlich ihres ökotoxikologischen Effektpotentials eignet sich sehr gut, Antibiotika mit dem höchsten Schadpotential zu identifizieren. Die Verschneidung der Kenntnis dieser Substanzen mit den Ergebnissen der SFA macht deutlich, dass mit Ausnahme der Makrolide, alle ökotoxikologisch priorisierten Antibiotika eine mangelhafte Prognosefähigkeit aufweisen. Die unvollständige Abbildung kritischer Stoffströme, wie z.B. Frachtspitzen, führt insbesondere im Fall der ökotoxikologisch priorisierten Substanzen zu einer Minderung der Aussagekraft des auf Verschreibungsdaten beruhenden Prognoseansatzes. An diesem Punkt ist in zukünftigen Betrachtungen anzusetzen, um die Qualität von Verschreibungsdaten zu verbessern, potentiell nicht erfasste Emittenten in die Betrachtungen einzubeziehen, sowie die Dynamik der Rückhalte- und Eliminationsprozesse in der Kanalisation adäquat beschreiben zu können. Die ergänzende Betrachtung weiterer Anlagentechnologien (z.B. Festbettreaktoren) kann zur Bestätigung der am Beispiel der Kläranlage Dresden-Kaditz gewonnenen Ergebnisse beitragen bzw. Unterschiede bei der Elimination von Antibiotika das Potential, die Problematik der Antibiotika und anderer Mikroschadstoffe bereits während der Planung von Abwasseranlagen berücksichtigen zu können.:Abstract 2 Danksagung 1 Table of Contents 1 Chapter 1 – Introduction 1 Scope 1 Goals and structure 3 Approach and Methods 5 Chapter 2 – Representative input load of antibiotics to WWTPs: Predictive accuracy and determination of a required sampling quantity 11 Introduction 14 Materials and Methods 16 Results and discussion 24 Conclusion 38 References 39 Chapter 3 – Mass flow of antibiotics in a wastewater treatment plant focusing on removal variations due to operational parameters 41 Introduction 45 Materials and Methods 47 Results and discussion 52 Conclusions 65 References 66 Chapter 4 – Species-related risk assessment of antibiotics using the probability distribution of long-term toxicity data as weighting function – a case study 71 Introduction 74 Materials and Methods 75 Results and discussion 86 Conclusions and summary 93 References 95 Chapter 5 – Environmental risk assessment of antibiotics including synergistic and antagonistic combination effects 99 Materials and Methods 104 Results 113 Discussion 120 Conclusions and summary . 125 References 126 Chapter 6 – Results and conclusions 129 Individual results 131 Aggregation of results 133 Final conclusions 134 References 139 Annex 1 – Supplementary material Chapter 2 141 Annex 2 – Supplementary material Chapter 3 147 Annex 3 – Supplementary material Chapter 4 159 Annex 4 – Supplementary material Chapter 5 177

Die Schriftenreihe informiert über Gefährdungspotentiale für Starkregen und Hagel, die durch den atmosphärischen Prozess der Konvektion ausgelöst sind. Neben der Erfassung des gegenwärtigen Potentials über Sachsen erfolgte auch eine Abschätzung unter zukünftig möglichen Klimarahmenbedingungen. Die Gefährdungspotentiale infolge hochreichender Konvektion und ihrer Begleiterscheinungen wie z.B. Hagel sind im Erzgebirge höher als im Vorland. Generell ist von einer Zunahme der Gefährdung im 21. Jahrhundert auszugehen, wobei die zu erwartenden Änderungen keine wesentliche flächenhafte Differenzierung zeigen. Die Ergebnisse dienen als Eingangsinformationen zur Risikobewertung und richten sich an Fachpublikum und die interessierte Öffentlichkeit. Redaktionsschluss: 09.01.2022

Knapp 25 Jahre nach dem ersten Auftreten der bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) in Europa, bleibt die Entfernung und unschädliche Beseitigung des sogenannten spezifizierten Risikomaterials (SRM) eine der wichtigsten Maßnahmen zur Reduzierung des humanen oralen BSE-Expositionsrisikos. Angesichts des Rückgangs der BSE-Inzidenzen in Europa hat sich die Europäische Kommission (EC) in ihrer „TSE Roadmap“ das Ziel gesetzt, die Auflistung und/oder die Alters-grenzen für das SRM schrittweise zu modifizieren. In diesem Sinne hat die EC die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) mehrfach aufgefordert, das BSE-Risiko anhand aktueller Daten neu zu bewerten, insbesondere das, welches von Rindernaturdärmen für den Verbraucher ausgeht. Die wissenschaftliche Bewertung des humanen BSE-Expositionsrisikos ist jedoch bis heute mit großen Unsicherheiten verbunden und deshalb sollten erfassbare Varianzeinflüsse so weit wie möglich reduziert werden. Nachdem experimentell BSE-Infektiosität im distalen Ileum demonstriert wurde, erfolgte vorsorglich die Einstufung des gesamten bovinen Darmes (Duodenum bis Rektum, einschließlich des Mesenteriums) als SRM. Eine der wesentlichen Eingangsgrößen bei der wissenschaftlichen Bewertung des Expositionsrisikos ist die Masse des in die Nahrungskette eingebrachten potentiell infektiösen Materials. Alle bis zum heutigen Zeitpunkt durchgeführten Risikobewertungen legten eine Masse von 800 g für das bovine Ileum zugrunde. Die eigenen Untersuchungen hatten das Ziel die Gewichtsangabe des bovinen Ileums zu validieren, die Effizienz des SRM-Verbotes zur Reduktion des humanen oralen BSE-Infektionsrisikos sowie das Infektionspotential nach der Bearbeitung des Darmes im Hinblick auf seine Einstufung als SRM einzuschätzen. Von 129 Schlachtrindern wurde das Ileum unter kontrollierten Bedingungen entnommen und in der Folge der technologischen Bearbeitung vermessen. Zudem wurden 13 bovine Ilea und 11 Jejuna jeweils vor und nach der manuellen Bearbeitung histologisch auf das Vorkommen von lymphatischem Gewebe untersucht. Das lymphatische Gewebe des Darmes stellt wahrscheinlich den Ort der Erregeraufnahme nach einer oralen BSE-Infektion dar. Wesentliches Ergebnis ist ein mittleres Gewicht für das bovine Ileum im entleerten und bearbeiteten Zustand von 57 g (Spannweite: 23,1 bis 135,8 g). Dieser Wert liegt im Vergleich zu der bisher verwendeten Eingangsgröße um eine Größenordnung niedriger. Im Hinblick auf die Effizienz des SRM-Verbots zur Risikoreduktion in der Lebensmittelkette ergibt sich mit den neuen Daten ein Anstieg von 95% auf 99% für das zentrale Nervensystem (ZNS) und das ZNS-nahe periphere Nervensystem. In den histologischen Untersuchungen konnte lymphatisches Gewebe nur bei einer der bearbeiteten Ileumproben (7.7%) und zwei der bearbeite-ten Jejunumproben (18,2%) gefunden werden. Dies zeigt, dass durch die Bearbeitung der Rinderdärme der größte Teil des lymphatischen Gewebes entfernt wird. Die vorliegenden Ergebnisse stützen die Aussage anderer Studien, dass durch die Reinigung der Därme signifikante Mengen an lymphatischem Gewebe entfernt werden. Aufgrund des niedrigen Ileumgewichtes und der effektiven Entfernung des lymphatischen Gewebes kann der Anteil des Ileums an der gesamten Infektiosität, bei einem klinisch an BSE erkrankten Rind, als sehr gering eingestuft werden. Das bovine Ileum ist nach vorliegender Untersuchung lediglich mit 1 % an der Gesamtinfektiosität beteiligt und nicht, wie bisher angenommenen, mit 3,3 % bzw. 9,6 %. Angesichts dieser Ergebnisse, der aktuellen BSE-Inzidenzen in Europa, der Verteilung und Höhe der BSE-Infektiosität im bovinen Darm wird, wie auch von einer Reihe anderer Autoren, die Übertragung von BSE durch Rinderdärme als ein vernachlässigbares Risiko angesehen. Vor diesem Hintergrund sollte der SRM-Status der Rinderdärme erneut geprüft und bewertet werden.:INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 4 2.1 Transmissible spongiforme Enzephalopathien 4 2.1.1 Transmissible spongiforme Enzephalopathien beim Tier 5 2.1.1.1 Scrapie 6 2.1.1.2 Bovine spongiforme Enzephalopathie 9 2.1.2 Transmissible spongiforme Enzephalopathien beim Menschen 16 2.1.2.1 Klassische Formen der CJD 16 2.1.2.2 Neue Variante der CJD 19 2.2 Lymphatisches Gewebe des Rinderdarms 24 2.2.1 Bestandteile 25 2.2.2 Embryonale Entwicklung 26 2.2.3 Morphologie der Peyer’schen-Platten 27 2.2.3.1 Lymphfollikel 28 2.2.3.2 \"dome\" 29 2.2.3.3 Follikelassoziiertes Epithel 29 2.2.3.4 M-Zellen 29 2.2.3.5 Interfollikuläre Zone 31 2.2.4 Verteilung und Lage 32 2.2.4.1 Solitärfollikel 32 2.2.4.2 Peyer’sche-Platten 33 2.2.4.3 Lymphoglanduläre Komplexe 34 2.2.5 Involution 34 2.2.5.1 Involution der Peyer’schen-Platten 35 2.2.5.2 Involution der Solitärfollikel und des lymphatischen Gewebes des Dickdarms 36 2.3 Naturdarm 36 2.3.1 Gewinnung und Bearbeitung 38 2.3.1.1 Manuelle Bearbeitung 39 2.3.1.2 Maschinelle Bearbeitung 40 2.3.2 Einsatzmöglichkeiten 41 2.3.3 Wirtschaftliche Bedeutung 42 2.4 Risikoanalyse 43 2.4.1 Risikobewertung 44 2.4.1.1 BSE-Risikobewertung 45 2.4.2 Risikomanagement 49 2.4.2.1 Überwachungsmaßnahmen 50 2.4.2.2 Verfütterungsverbote 53 2.4.2.3 Spezifizierte Risikomaterialien 54 2.4.3 Risikokommunikation 56 3 TIERE, MATERIAL UND METHODEN 57 3.1 Gewichts- und Längenbestimmung der Ilea 57 3.1.1 Auswahl der Tiere 57 3.1.2 Entnahme der Ilea 58 3.1.3 Bearbeitung der Ilea 59 3.1.4 Bestimmung des Gewichtes und der Länge 60 3.2 Histologische Untersuchungen 60 3.2.1 Ileum 60 3.2.1.1 Auswahl der Tiere 61 3.2.1.2 Entnahme der Ilea 61 3.2.1.3 Bearbeitung der Ileumabschnitte 61 3.2.1.4 Vorbereitung und Anfertigung der Schnitte 63 3.2.1.5 Auswertung der Schnitte und Dokumentation 64 3.2.2 Jejunum 65 3.2.2.1 Auswahl der Tiere 65 3.2.2.2 Entnahme der Jejuna 65 3.2.2.3 Bearbeitung der Jejunumabschnitte 65 3.2.2.4 Vorbereitung und Anfertigung der Schnitte 66 3.2.2.5 Auswertung der Schnitte und Dokumentation 67 3.3 Untersuchung auf Peyer’sche-Platten 67 3.4 Gewichtsreduktion durch die Bearbeitung 68 4 ERGEBNISSE 69 4.1 Gewicht und der Länge der Ilea 69 4.2 Histologische Untersuchung der Ilea 73 4.3 Histologische Untersuchung der Jejuna 79 4.4 Untersuchung des Rinderdünndarmes auf sichtbares lymphatisches Gewebe 82 4.5 Gewichtsreduktion durch die Bearbeitung 84 5 DISKUSSION 85 5.1 Gewicht und Länge der Ilea 85 5.2 Histologische Untersuchung der Ilea und Jejuna 88 6 ZUSAMMENFASSUNG 95 7 SUMMARY 97 8 LITERATURVERZEICHNIS 99 ANHANG 135 DANKSAGUNG 148 / Nearly two and a half decades after the emergence of a new transmissible spongiform encephalopathy (TSE) in bovines (BSE) in Europe the ban on so called specified risk material (SRM) remains the most important measure to reduce any potential oral human BSE exposition risk from the food chain. In view of the overall and constant reduction of the frequency of bovine TSE cases in Europe the European Commission expressed in its “TSE-road map” the need for a future lifting of the SRM-ban and the European Food Safety Authority has been repeatedly asked by the European Commission to re-assess the BSE risk for the consumer on the basis of current data, amongst others the risk associated with natural bovine sausage casings. However, the scientific evaluation of the human BSE exposition risk is impeded by great uncertainties and ascertainable variances should be reduced as far as possible. After BSE-infectivity was demonstrated experimentally for the distal bovine ileum, the whole bovine intestine from duodenum to rectum including mesentery was categorized as specified risk material (SRM).The weight of potential infective material brought into the food chain is a major influencing variable in this context. All subsequent studies concerning the human BSE exposure risk have been based on an ileum weight of 800 g per adult cattle. The aim of the own studies was to validate the existing measurement of bovine ileum and its infectivity after processing with respect to the efficiency of the SRM ban for a risk reduction in the food chain. 129 ilea were removed from slaughtered cattle and weighted during subsequent technical processing. In parallel, 13 bovine ileum and 11 jejunum samples were analyzed histologically before and after manual processing in order to detect lymphatic tissue which is presumed to be the point of entry for the infective agent. The mean weight for the whole empty and processed ileum was 57 g ranging from 23.1 g to 135.8 g. This is one order of magnitude lower than the input level used to date. Residues of lymphatic tissue were detected in one of the processed ileum samples (7.7%) and two of the jejunum samples (18.2%). This means that the major part of lymphatic tissue is removed from the bovine intestine during the different processing steps. Our results are backed up by a number of studies made by other researchers who showed that significant quantities of lymphatic tissues are removed from the bovine intestine by cleaning.The ileum has to be recognized as only a minor fraction of the total infective load per animal due to its weight and the removal of most lymphatic tissue during processing. Contrary to previous assumptions that ileum amounts to 3.3 and 9.6% respectively of the total infective tissues this study clearly shows that this premise has to be corrected to 1%. Regarding these results in combination with the decreasing BSE incidences in Europe, the distribution and the amount of the BSE infectiosity the potential BSE-infectivity represented by the bovine intestine can be considered negligible. This assessment is shared by numerous authors. A possible amendment of the current SRM status of bovine intestine should be re-assessed.:INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 1 2 LITERATURÜBERSICHT 4 2.1 Transmissible spongiforme Enzephalopathien 4 2.1.1 Transmissible spongiforme Enzephalopathien beim Tier 5 2.1.1.1 Scrapie 6 2.1.1.2 Bovine spongiforme Enzephalopathie 9 2.1.2 Transmissible spongiforme Enzephalopathien beim Menschen 16 2.1.2.1 Klassische Formen der CJD 16 2.1.2.2 Neue Variante der CJD 19 2.2 Lymphatisches Gewebe des Rinderdarms 24 2.2.1 Bestandteile 25 2.2.2 Embryonale Entwicklung 26 2.2.3 Morphologie der Peyer’schen-Platten 27 2.2.3.1 Lymphfollikel 28 2.2.3.2 \"dome\" 29 2.2.3.3 Follikelassoziiertes Epithel 29 2.2.3.4 M-Zellen 29 2.2.3.5 Interfollikuläre Zone 31 2.2.4 Verteilung und Lage 32 2.2.4.1 Solitärfollikel 32 2.2.4.2 Peyer’sche-Platten 33 2.2.4.3 Lymphoglanduläre Komplexe 34 2.2.5 Involution 34 2.2.5.1 Involution der Peyer’schen-Platten 35 2.2.5.2 Involution der Solitärfollikel und des lymphatischen Gewebes des Dickdarms 36 2.3 Naturdarm 36 2.3.1 Gewinnung und Bearbeitung 38 2.3.1.1 Manuelle Bearbeitung 39 2.3.1.2 Maschinelle Bearbeitung 40 2.3.2 Einsatzmöglichkeiten 41 2.3.3 Wirtschaftliche Bedeutung 42 2.4 Risikoanalyse 43 2.4.1 Risikobewertung 44 2.4.1.1 BSE-Risikobewertung 45 2.4.2 Risikomanagement 49 2.4.2.1 Überwachungsmaßnahmen 50 2.4.2.2 Verfütterungsverbote 53 2.4.2.3 Spezifizierte Risikomaterialien 54 2.4.3 Risikokommunikation 56 3 TIERE, MATERIAL UND METHODEN 57 3.1 Gewichts- und Längenbestimmung der Ilea 57 3.1.1 Auswahl der Tiere 57 3.1.2 Entnahme der Ilea 58 3.1.3 Bearbeitung der Ilea 59 3.1.4 Bestimmung des Gewichtes und der Länge 60 3.2 Histologische Untersuchungen 60 3.2.1 Ileum 60 3.2.1.1 Auswahl der Tiere 61 3.2.1.2 Entnahme der Ilea 61 3.2.1.3 Bearbeitung der Ileumabschnitte 61 3.2.1.4 Vorbereitung und Anfertigung der Schnitte 63 3.2.1.5 Auswertung der Schnitte und Dokumentation 64 3.2.2 Jejunum 65 3.2.2.1 Auswahl der Tiere 65 3.2.2.2 Entnahme der Jejuna 65 3.2.2.3 Bearbeitung der Jejunumabschnitte 65 3.2.2.4 Vorbereitung und Anfertigung der Schnitte 66 3.2.2.5 Auswertung der Schnitte und Dokumentation 67 3.3 Untersuchung auf Peyer’sche-Platten 67 3.4 Gewichtsreduktion durch die Bearbeitung 68 4 ERGEBNISSE 69 4.1 Gewicht und der Länge der Ilea 69 4.2 Histologische Untersuchung der Ilea 73 4.3 Histologische Untersuchung der Jejuna 79 4.4 Untersuchung des Rinderdünndarmes auf sichtbares lymphatisches Gewebe 82 4.5 Gewichtsreduktion durch die Bearbeitung 84 5 DISKUSSION 85 5.1 Gewicht und Länge der Ilea 85 5.2 Histologische Untersuchung der Ilea und Jejuna 88 6 ZUSAMMENFASSUNG 95 7 SUMMARY 97 8 LITERATURVERZEICHNIS 99 ANHANG 135 DANKSAGUNG 148

Coastal areas of Southeast Asia are progressively threatened by flooding as a consequence of more frequent precipitation extremes and rising sea levels. Especially urban areas are affected by flood risk which is additionally increased by surface subsidence related to building activities and groundwater extraction. However, the severity of subsidence as well as its triggers and environmental interrelations are only little understood. This study measures surface subsidence for Hue city by using persistent scatterer radar interferometry (PS-InSAR). A series of 53 images acquired by the Sentinel-1 radar satellite between 2018 and 2019 was analyzed to reliably retrieve surface changes at the millimeter scale. The overall displacement ranges between -25 and +10 millimeters per year. Its spatial distribution was then compared to the extent of different soil types in the study area to conduct an analysis of variance (ANOVA). The results confirmed a significant difference between the soil types with Plinthic Acrisols as the soil type having the largest negative average surface velocity. Possible triggers are the intrusion of slack water from the surrounding rice cultivation areas and construction activities which lead to increasing weight and soil compaction. The findings shall raise awareness for the topic and underline the demand for further research. / Mưa lớn và nước biển dâng là những nguyên nhân gây lũ lụt ngày càng nghiêm trọng ở các khu vực ven biển Đông Nam Á. Đặc biệt việc gia tăng công trình xây dựng và khai thác nước ngầm gây sụt lún bề mặt dẫn đến ngập lụt ở các vùng đô thị. Tuy nhiên, các nghiên cứu về mối tương quan giữa sụt lún bề mặt với các hiện tượng môi trường chưa được chú trọng nhiều. Trong nghiên cứu này, độ lún bề mặt của thành phố Hue được đo bằng phương pháp giao thoa radar tán xạ liên tục (PS-InSAR). Phân tích 53 ảnh vệ tinh Sentinel-1 từ năm 2018-2019 cho thấy sự thay đổi tổng thể bề mặt dao động từ -25mm đến 10mm mỗi năm. Phân tích phương sai (ANOVA) cho thấy sự thay đổi bề mặt khác nhau tùy từng loại đất, trong đó đất đỏ vàng (Plinthic Acrisols) có tốc độ sụt lún trung bình cao nhất. Các tác nhân có thể là do sự xâm nhập của nước từ các vùng trồng lúa xung quanh và các hoạt động xây dựng dẫn đến tăng trọng lượng và nén đất. Những phát hiện này là cơ hội nâng cao nhận thức về sự sụt lún bề mặt và cần được nghiên cứu thêm.

For railways, risk analysis is carried out to identify hazardous situations and their consequences. Until recently, classical methods such as Fault Tree Analysis (FTA) and Event Tree Analysis (ETA) were applied in modelling the linear and logically deterministic aspects of railway risks, safety and reliability. However, it has been proven that modern railway systems are rather complex, involving multi-dependencies between system variables and uncertainties about these dependencies. For train derailment accidents, for instance, high train speed is a common cause of failure; slip and failure of brake applications are disjoint events; failure dependency exists between the train protection and warning system and driver errors; driver errors are time dependent and there is functional uncertainty in derailment conditions. Failing to incorporate these aspects of a complex system leads to wrong estimations of the risks and safety, and, consequently, to wrong management decisions. Furthermore, a complex railway system integrates various technologies and is operated in an environment where the behaviour and failure modes of the system are difficult to model using probabilistic techniques. Modelling and quantification of the railway risk and safety problems that involve dependencies and uncertainties such as mentioned above are complex tasks. Importance measures are useful in the ranking of components, which are significant with respect to the risk, safety and reliability of a railway system. The computation of importance measures using FTA has limitation for complex railways. ALARP (As Low as Reasonably Possible) risk acceptance criteria are widely accepted as ’\'best practice’’ in the railways. According to the ALARP approach, a tolerable region exists between the regions of intolerable and negligible risks. In the tolerable region, risk is undertaken only if a benefit is desired. In this case, one needs to have additional criteria to identify the socio-economic benefits of adopting a safety measure for railway facilities. The Life Quality Index (LQI) is a rational way of establishing a relation between the financial resources utilized to improve the safety of an engineering system and the potential fatalities that can be avoided by safety improvement. This thesis shows the application of the LQI approach to quantifying the social benefits of a number of safety management plans for a railway facility. We apply Bayesian Networks and influence diagrams, which are extensions of Bayesian Networks, to model and assess the life safety risks associated with railways. Bayesian Networks are directed acyclic probabilistic graphical models that handle the joint distribution of random variables in a compact and flexible way. In influence diagrams, problems of probabilistic inference and decision making – based on utility functions – can be combined and optimized, especially, for systems with many dependencies and uncertainties. The optimal decision, which maximizes the total benefits to society, is obtained. In this thesis, the application of Bayesian Networks to the railway industry is investigated for the purpose of improving modelling and the analysis of risk, safety and reliability in railways. One example application and two real world applications are presented to show the usefulness and suitability of the Bayesian Networks for the quantitative risk assessment and risk-based decision support in reference to railways.