Der Oberboden im Erzgebirge ist teilweise mit Arsen, Cadmium und Blei belastet. Inwieweit diese Belastung direkt auf den Menschen einwirkt, kann von der jeweiligen Resorptionsverfügbarkeit (RV) abgeleitet werden. Zur Abschätzung der RV wurden etwa 600 Datensätzen ausgewertet und dabei die Gesamtgehalte und ihre RV auf regionalspezifische Unterschiede analysiert. Erstmals konnten entsprechende Gleichungen für eine Abschätzung der RV im Vollzug abgeleitet werden. Im Ergebnis zeigt sich beispielsweise, dass die RV für Arsen in der Region Freiberg regelmäßig über der in der Region Annaberg liegt. Für Blei dagegen liegt die RV in der Region Annaberg über der RV der Region Freiberg.

Untersucht wurde der Arsen- und Cadmiumtransfer vom Boden in die Pflanze. Die Boden- und Kornproben entstammten den Dauertestflächen aller Bodenregionen in Sachsen. Um die Pflanzenverfügbarkeit der beiden Elemente zu untersuchen, wurden sieben verschiedene Extraktionsmethoden verglichen. Der Aufschluss mit Königswasser oder Calcium-Ammonium-Lactat (CAL) zeigt dabei die höchsten Konzentrationen im Extrakt. Die Einhaltung des aktuellen Cadmium-Höchstgehalts für Brotweizen ist bis zu einem Cadmium-Gehalt des Bodens (Königswasser) von 1,0 mg/kg mit einer Wahrscheinlichkeit von 80 % gegeben. Auf der Grundlage der CAL-Extraktion beträgt dieser Schwellenwert 0,4 mg/kg. Die erwartete Absenkung des zulässigen Höchstgehalts auf 0,10 mg/kg Korn verschiebt die Schwellenwerte auf 0,40 mg CdKW/kg bzw. 0,22 mg CdCAL/kg. Die Untersuchungen im Freiland bestätigen die sortenspezifische Aufnahme von Cadmium aus Gefäßversuchen. Für die Transferuntersuchungen wird eine mehrfache Beprobung eines Schlages empfohlen, wobei jeweils von einem ca. 4 m² großen Teilstück eine Bodenmischprobe und eine Mischprobe des zugehörigen pflanzlichen Materials entnommen werden sollte.

Am Beispiel einer realen, gealterten Bodenprobe eines ehemaligen Schwelereistandortes wurde die Schadstoffentfernung mit nahe- und überkritischem Wasser untersucht. In einer umgebauten Nassoxidationsanlage wurden die Untersuchungen zur Extraktion der Proben mit Wasser bei 300°C, 340°C und 400°C sowie bei Volumenströmen des Extraktionsmittels von 5, 10 und 15 ml/min durchgeführt. Es zeigte sich, dass höhere Extraktionstemperaturen und größere Strömungsgeschwindigkeiten zur besseren Reinigung der Proben führten. Mit überkritischem Wasser konnte insbesondere für die gewählten Modellsubstanzen bis zu 50 % mehr Substanz aus dem Boden herausgewaschen werden als mit der herkömmlichen Lösemittelextraktion, die als Vergleichsextraktion herangezogen wurde. Durch die Zugabe eines Oxidationsmittels zum überkritischen Wasser konnten die Schadstoffe direkt an der Bodenmatrix zerstört werden. Ein zweifelsfreier Einfluss z.B. der Korngröße auf den Extraktionserfolg war nicht erkennbar.

In Vietnam, soil contamination with lead and cadmium at very high level was investigated anddiscovered in the surrounding areas of zinc-lead mining and processing factory in Tan Long (Dong Hy district, Thai Nguyen province) and around the lead-recycling smelter in Chi Dao (Van Lam district, Hung Yen province). The survey on soil contaminated by arsenic due to the tin mining and sifting activities in Ha Thuong (Dai Tu district, Thai Nguyen province) was also carried out. In Tan Long, the concentrations of lead and cadmium in the old solid waste dump from zinc-lead factory varied from 1,100 to 13,000 mg·kg-1, and from 11.34 to 61.04 mg·kg-1, respectively. Soil Pollution Indexes (SPI) of lead and cadmium were highest in the old solid waste dump area, followed by the ones in the rice paddy soils. In Chi Dao, the soils of many sites were polluted with lead and cadmium such as in the gardens of lead-recycling households where the concentrations of lead and cadmium were 7,000 - 15,000 mg·kg-1 and 1.8 - 3.6 mg·kg-1. In rice paddies, the soils were also polluted by lead. SPI of lead in paddy soil areas within 300 m radius from the lead smelter were from 3.6 to 100 fold higher than the safe limit. The sediment from the ditch near the lead smelters contained extremely high levels of lead (7,000 - 110,000 mg·kg-1) and cadmium (3.8 - 17.7 mg·kg-1). The tin mining and sifting activities in Ha Thuong was the cause for the arsenic contamination of the soil in this area. The arsenic contents in soils at all locations investigated were higher than 320 mg·kg-1 (dry weight) and up to 3,809 mg·kg-1. / Tại Việt Nam, đất bị ô nhiễm bởi chì và ca-đi-mi với hàm lượng cao đã được điều tra phát hiện ở các khu vực phụ cận của nhà máy khai thác và chế biến kẽm/chì thuộc địa phận xã Tân Long, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên và các khu vực phụ cận của lò tái chế chì thuộc địa phận xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên. Sự khảo sát đất bị ô nhiễm bởi a-sen do các hoạt động khai thác và tuyển thiếc ở xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên cũng đã được tiến hành. Tại xã Tân Long, nồng độ chì và ca-đi-mi trong bãi chất thải rắn cũ từ nhà máy sản xuất kẽm chì là 1.100 - 1.300 mg.kg-1 và từ 11,34 đến 61,04 mg.kg-1, tương ứng. Chỉ số ô nhiễm đất (SPI) của chì và ca-đi-mi cao nhất trong khu vực đổ chất thải rắn cũ, tiếp theo sau là ở các ruộng lúa. Tại xã Chỉ Đạo, đất ở nhiều địa điểm đã bị ô nhiễm chì và ca-đi-mi chẳng hạn như trong khu vườn của các hộ gia đình tái chế chì, nồng độ chì và ca-đi-mi là 7.000 - 15.000 mg.kg-1 và 1,8 - 3,6 mg.kg-1. Trong cánh đồng lúa, đất cũng bị ô nhiễm bởi chì. Chỉ số ô nhiễm đất của chì (SPI-Pb) trong cánh đồng lúa trong vòng bán kính 300 m từ lò tái chế chì cao hơn giới hạn của đất an toàn từ 3,6 đến 100 lần. Trầm tích thu từ kênh gần lò tái chế chì chứa hàm lượng chì rất cao (.7000 - 110.000 mg.kg-1) và ca-đi-mi (3,8 - 17,7 mg.kg-1). Việc khai thác và tuyển thiếc tại xã Hà Thượng đã gây ra ô nhiễm a-sen trong đất tại khu vực này. Hàm lượng a-sen trong đất tại tất cả các địa điểm nghiên cứu cao hơn 320 mg.kg-1 (trọng lượng khô), đặc biệt là lên đến 3809 mg.kg-1.

Das entwickelte Verfahrenskonzept stellt eine abfallarme Sanierungsmethode zur simultanen Behandlung schwermetallkontaminierter und organisch belasteter Böden dar. Die vom Boden abgetrennten Schadstoffe - Schwermetalle und Organika - werden in den entsprechenden Phasen der Mikroemulsion solubilisiert. Die entwickelte Formulierung der Mikroemulsion ist dadurch charakterisiert, insbesondere polare Schadstoffe respektive Schwermetalle aus kontaminierten Bodenmaterialien zu extrahieren. Der Einsatz der entwickelten bikontinuierlichen Mikroemulsion bewirkt bereits im ersten Extraktionsschritt die nahezu vollständige Entfernung sowohl der Schwermetalle als auch der organischen Schadstoffe. Durch eine mehrstufige Extraktion ist es möglich, auch hochkontaminierte Materialien einschließlich der Feinkornfraktionen zu reinigen und somit die Menge des zu deponierenden Bodenmaterials deutlich zu reduzieren.

Untersuchungen zur Arsenbelastung von Grünland in Abhängigkeit der Arsenkonzentration in Böden. Darstellung der Einflussfaktoren und Handlungsempfehlungen zur Arsenreduzierung.

Es wurde eine Arsenkontamination von Boden und Grundwasser im Bereich einer Zellstofffabrik untersucht, die auf Ablagerungen von Eisenoxidschlacken (Rückstände aus der Pyritröstung) mit hohem Gehalt an verschiedenen Spurenelementen zurückzuführen ist. Der Standort ist dadurch gekennzeichnet, dass über viele Jahre Lösungen aus der Celluloseproduktion („Sulfitablauge“) versickerten. Hierdurch gelangten größere Mengen an Sulfat und organischen Stoffen in den Untergrund. Infolgedessen weist das Grundwasser einen stark reduzierten, sulfidischen Chemismus auf. Ein Großteil der Spurenelemente wurde aus der Schlacke im Oberboden in den darunter liegenden wassergesättigten Bereich transportiert und dort in Form von sulfidischen Niederschlägen festgelegt. Eine Ausnahme bildet Arsen, das unter den spezifischen Milieubedingungen im Schadenzentrum lösliche schwefelhaltige Verbindungen bildet (max. 4 mg As/L). Diese Arsen-Schwefel-Spezies wurden erstmals mit einer neu entwickelten IC-ICP/MS- Methode in einem Grundwasser nachgewiesen. Die Grundwasser- und Bodenuntersuchungen sowie begleitende hydrogeologische Messungen ergaben, dass die Arsen-Schwefel-Spezies innerhalb einer Fließstrecke von 30-80 m im Abstrom des Schadenzentrums vollständig immobilisiert werden. Bei der Festlegung von Arsen spielt die biologische Sulfatreduktion, die durch versickerte Sulfitablauge ermöglicht wurde, eine entscheidende Rolle. Anhand dieser Erkenntnisse wurde im Jahr 2000 ein natural attenuation-Konzept zur Sicherung des Standortes ausgearbeitet. Nach Auswertung der Ergebnisse der Standortuntersuchungen aus den Jahren 1999-2005 sowie einer Literaturrecherche zur Arsen-Schwefel-Chemie wurden die Struktur und das Verhalten der unbekannten Arsen-Schwefel-Spezies sowie die Vorgänge bei der Festlegung von Arsen im Boden genauer untersucht. Das wesentlichste Ergebnis der Arbeiten ist, dass in sulfidischen Systemen, z.B. in Grundwässern unter Sulfat reduzierenden Bedingungen, Thioarsenate gebildet werden. In Lehrbüchern und Fachpublikationen aus den vergangenen Jahrzehnten wurde bislang ausschließlich die Existenz von Thioarseniten vermutet. Ursache für die Bildung von Thioarsenaten ist eine hohe Affinität zwischen Arsen und Schwefel, die eine Oxidation von As(III) durch Anlagerung eines Schwefelatoms an dessen freiem Elektronenpaar „erzwingt“. In sulfidhaltigen Lösungen wird hierzu ein Teil des As(III) zu elementarem Arsen reduziert. Das zunächst gebildete Monothioarsenat wird weiter zu den schwefelhaltigeren Thioarsenaten sulfidiert. In sulfidischen Grundwässern bestimmen deshalb die Anionen von Oxomonothioarsenat, Oxodithioarsenat, Oxotrithioarsenat und Tetrathioarsenat das Verhalten von Arsen. Wesentlich für das Verständnis der Arsen-Schwefel-Chemie ist auch die Instabilität der As-SH-Gruppen, die entsprechend dem Dissoziationsverhalten der jeweiligen Arsen-Schwefel-Spezies gebildet werden. Dies erfolgt bei pH-Werten im Bereich von ca. 7-8,5, wobei die monomeren Anionen unter Abspaltung von Schwefelwasserstoff kondensieren. Infolgedessen muss in Grundwässern auch mit polymeren Thioarsenaten gerechnet werden. In saurer Lösung zerfallen die Thioarsenate in arsenige Säure und Schwefel bzw. fallen als Arsenpentasulfid aus. Arsen wird in sulfidischen Aquiferen als Sulfid (z.B. As4S4), als Arsenpyrit (FeAsS) oder durch Einbau von Arsen als Schwefelsubstituent in das Kristallgitter von Mackinawite bzw. Pyrit (FeS, FeS2) festgelegt. Die ermittelten Prozesse können ggf. zur Sanierung bzw. Sicherung von Standorten mit arsenhaltigen Rückständen im Boden bzw. von arsenbelasteten Grundwässern eingesetzt werden. Dabei ist auch von Bedeutung, dass Thioarsenate nach derzeitigem Kenntnisstand relativ gering toxisch sind. Im Umgang mit Thioarsenaten, z.B. auch bei der Analyse von Arsen in sulfidischen Proben, ist jedoch deren Umwandlung in arsenige Säure bei einer pH-Absenkung und auch bei Sauerstoffzutritt zu berücksichtigen. Die biologische Sulfatreduktion spielt eine wesentlich größere Rolle für die Mobilität von Arsen in Grundwässern als bisher angenommen. Im Hinblick auf die weltweit große gesundheitliche Relevanz von Arsen im Trinkwasser und auf mögliche Sanierungsverfahren sollten die Umsetzungen von Arsen unter Sulfat reduzierenden Bedingungen eingehender untersucht werden. / The motivation for the thesis was a project at an industrial site conducted in 1999 to define a remediation concept for soil and groundwater contaminated with arsenic. The contamination resulted from the deposition of residuals from pyrite burning (iron oxides containing different trace elements) in the upper soil many years ago. Because of long-term pollution with process waters rich in organic substances and sulfate, the aquifer is strongly reduced (sulfidic). Most of the arsenic was transferred out of the contaminated soil into the saturated zone in a depth of 7-10 m. There it is partly immobilized as sulfide precipitations, but part of it is solved in the groundwater in form of arsenic-sulfur-complexes (up to 4 ppm). These complexes were detected for the first time in a groundwater by means of an improved IC-ICP-MS method. It was also found that approx. 80 m downstream of the contaminated spot the concentrations of arsenic in soil and groundwater were not increased. On this basis a natural attenuation concept was proposed in 2000. The data from the investigated site was evaluated and specific laboratory tests were carried out in order to identify the unknown arsenic species as well as the processes which lead to their immobilization in the aquifer. The key role of the soluble arsenic-sulfur complexes for the mobility and toxicity of arsenic in sulfate-reducing environments is commonly accepted. In the past, thioarsenites were assumed to be the existing species in sulfidic systems. In this study, however, thioarsenates were identified in solutions spiked with in arsenite and hydrogen sulfide as well as in the contaminated groundwater. The unexpected finding of an oxidation of arsenite to thioarsenates in strongly reducing systems can be explained by the high affinity between As(III) and sulfur. In sulfide containing solutions without any oxidant, arsenite therefore undergoes disproportionation to thioarsenates and elemental arsenic. This was already found out in the 19th century, but has been neglected in publications from the last decades. According to the results of this study the anions of oxomonothioarsenate, oxodithioarsenate, oxotrithioarsenate und tetrathioarsenate are the dominating arsenic species in sulfidic waters. The partitioning of the four species is governed mainly by the sulfide concentration. Beside the high affinity between arsenic and sulfur, the instability of the As-SH group is essential to understand the reactions in the arsenic-sulfur system. As soon as the arsenic-sulfur complexes form As-SH groups (according to their dissociation characteristics) they condensate in separating hydrogen sulfide. Thioarsenates form polymers in the pH range of approx. 7-8.5. Therefore beside the mentioned monomers, thioarsenate polymers can also be important in natural environments. In more acidic solutions they decay into arsenite and sulfur or precipitate as arsenic-pentasulfide. When analyzing arsenic in sulfide containing solutions, it has always to be taken into account that thioarsenates are highly sensitive to oxygen and pH. Therefore, e.g. arsenic speciation by means of HG-AAS is not suitable for sulfidic waters and can wrongly indicate a mixture of arsenite and arsenate. It has previously been supposed that the mobility as well as the toxicity of arsenic increase if the redox state decreases. For sulfidic waters the opposite is probably the case owing to the formation of thioarsenates. The toxicity of arsenite is due to the high reactivity of the As(III) towards sulfohydroxyl groups in proteins. Without a free electron pair and sulfur already incorporated, thioarsenates should be less toxic compared to arsenite. Arsenic can be mobilized out of contaminated soils in form of thioarsenates via infiltration of sulfide solutions or by input of sulfate and biodegradable organic matter. In the presence of iron, thioarsenates can be fixated in sulfidic aquifers as a minor substitute in mackinawite and biogenic pyrite or as arsenic pyrite. Bacterial sulfate reduction is a crucial factor for the mobilization and immobilization of arsenic in reduced aquifers. Considering the negative health impacts of arsenic for millions of people worldwide, as well as the implementation of the mentioned remediation strategies the arsenic-sulfur chemistry deserves closer attention.

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.

Diese Arbeit hat das Ziel zu prüfen, inwieweit Energiepflanzen, die zur Erzeugung von Bioethanol verwendet werden sollen, für eine Phytoremediation SM-kontaminierter Flächen geeignet sind. In den durchgeführten Arbeiten wurden Topinambur/Kartoffel (Knollen-pflanzen), Zuckerrübe und Winterroggen auf SM/R- haltigem Boden angebaut und die Abhängigkeit des Pflanzenwachstums und der SM-Aufnahme von den SM/R- Konzentrationen, den pH- Bedingungen und der Zugabe verschiedener Zuschlagsstoffe (zur Verbesserung der Bodenbedingungen und des Pflanzenwachstums) untersucht. Anschließend wurden Gärversuche zur Erzeugung von Bioethanol mit den belasteten Pflanzenresten durchgeführt. Weiterhin wurde auch eine Bilanzierung des Verbleibs von Schwermetallen in den verschiedenen Produkt- und Abproduktströmen durchgeführt. Um die Praktikabilität dieses Verfahrens zu untersuchen, wurde am Ende dieser Arbeit eine Energiebilanz durchgeführt sowie die Wirtschaftlichkeit betrachtet. Eine solche Kopplung der Phytoremediation mit einer anschließenden Erzeugung von Bioethanol ist bisher noch nicht aus der Literatur bekannt. Im Laufe der Arbeiten und Versuche hat sich gezeigt, dass der Anbau von Kartoffeln, Roggen und Topinambur auch unter den vorhandenen Bodenbedingungen (niedriger pH-Wert, wenig verfügbarer Stickstoff und Phosphor) uneingeschränkt möglich ist. Die Erträge von Topinambur und Winterroggen waren am besten bei mineralischer Düngung, ohne eine Intervention im organischen Substanzgehalt und im pH-Wert des Bodens, aber nur durch ausreichende Düngung mit Stickstoff. Die Vergärung aller Pflanzen verläuft unproblematisch, die Ausbeute aus 100 kg Rohstoff ist vergleichbar mit unkontaminiertem Pflanzenmaterial. Die Gärflüssigkeit aus der Vergärung aller Pflanzen und der feste Gärrest aus der Winterroggen- und Zuckerrübenvergärung lässt sich gesetzeskonform als Dünger nutzen. Der feste Gärrest aus der Kartoffel- und Topinamburgärung darf wegen einer Überschreitung der Grenzwerte von Cd und Ni nicht als Dünger verwertet werden. Er muss einer anderen Verwendung zugeführt werden (z.B. Verbrennung und Deponie). Der beste Austrag von Metallen pro Hektar in einer Vegetationszeit kann mit Topinambur erreicht werden (5189 g Al, 568 g Ni, 18,6 g Cd und 2,1 g U). Das Energiegewinn/Energieeintrag-Verhältnis, wenn nur die Pflanzenteile, die Stärke oder direkt vergärbare Zucker enthalten, in Alkohol umgewandelt werden, überschritt im Fall der Kartoffel (1,13) und des Winterroggens (1,16) den Wert 1 und im Fall der Zuckerrübe wurde fast der Wert 1 erreicht. Ein monetärer Gewinn ist zu erzielen mit der Alkoholherstellung aus Zuckerrüben, Winterroggen und Kartoffeln. Den besten Gewinn gewährleisten die Zuckerrübe mit über 1000 €/ha und der Winterroggen mit 447 €/ha. Ein solches Verfahren kann einen Beitrag zur schonenden Rekultivierung schwermetall-kontaminierter Flächen leisten (Habitaterhaltung, geringere Hypotheken für zukünftige Generationen), die Kosten der gesamten Sanierung durch einen Erlös senken sowie einen Beitrag zur Erzeugung eines CO2-neutralen Energieträgers leisten.