Dissertation
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Semantic-Web-Technologien haben sich als Schlüssel für die Integration verteilter und heterogener Datenquellen im Web erwiesen, da sie die Möglichkeit bieten, typisierte Verknüpfungen zwischen Ressourcen auf dynamische Weise und nach den Prinzipien von sogenannten Dataspaces zu definieren. Die weit verbreitete Einführung dieser Technologien in den letzten Jahren führte zu einer großen Menge und Vielfalt von Datensätzen, die als maschinenlesbare RDF-Daten veröffentlicht wurden und nach ihrer Verknüpfung das sogenannte Web of Data bilden. Angesichts des großen Datenumfangs werden diese Verknüpfungen normalerweise durch Berechnungsmethoden generiert, den Inhalt von RDF-Datensätzen analysieren und die Entitäten und Schemaelemente identifizieren, die über die Verknüpfungen verbunden werden sollen. Analog zu jeder anderen Art von Daten müssen Links die Kriterien für Daten hoher Qualität erfüllen (z. B. syntaktisch und semantisch genau, konsistent, aktuell), um wirklich nützlich und leicht zu konsumieren zu sein. Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet des maschinellen Lernens ist die menschliche Intelligenz für die Suche nach qualitativ hochwertigen Verbindungen nach wie vor von entscheidender Bedeutung: Menschen können Algorithmen trainieren, die Ausgabe von Algorithmen in Bezug auf die Leistung validieren, und auch die resultierenden Links erweitern. Allerdings sind Menschen – insbesondere erfahrene Menschen – nur begrenzt verfügbar. Daher kann die Ausweitung der Datenqualitätsmanagementprozesse von Dateneigentümern/-verlegern auf ein breiteres Publikum den Lebenszyklus des Datenqualitätsmanagements erheblich verbessern.
Die jüngsten Fortschritte bei Human Computation und bei Peer-Production-Technologien eröffneten neue Wege für Techniken zur Verwaltung von Mensch-Maschine-Daten, die es ermöglichten, Nicht-Experten in bestimmte Aufgaben einzubeziehen und Methoden für kooperative Ansätze bereitzustellen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsarbeiten nutzen solche Technologien und untersuchen Mensch-Maschine-Methoden, die das Management der Verbindungsqualität im Semantic Web erleichtern sollen. Zunächst wird unter Berücksichtigung der Dimension der Verbindungsgenauigkeit eine Crowdsourcing Methode zur Ontology Alignment vorgestellt. Diese Methode, die auch auf Entitäten anwendbar ist, wird als Ergänzung zu automatischen Ontology Alignment implementiert. Zweitens werden neuartige Maßnahmen zur Dimension des Informationsgewinns eingeführt, die durch die Verknüpfungen erleichtert werden. Diese entropiezentrierten Maßnahmen liefern Datenmanagern Informationen darüber, inwieweit die Entitäten im verknüpften Datensatz Informationen in Bezug auf Entitätsbeschreibung, Konnektivität und Schemaheterogenität erhalten. Drittens wenden wir Wikidata - den erfolgreichsten Fall eines verknüpften Datensatzes, der von einer Gemeinschaft von Menschen und Bots kuratiert, verknüpft und verwaltet wird - als Fallstudie an und wenden deskriptive und prädiktive Data Mining-Techniken an, um die Ungleichheit der Teilnahme und den Nutzerschwung zu untersuchen. Unsere Ergebnisse und Methoden können Community-Managern helfen, Entscheidungen darüber zu treffen, wann/wie mit Maßnahmen zur Nutzerbindung eingegriffen werden soll. Zuletzt wird eine Ontologie zur Modellierung der Geschichte der Crowd-Beiträge auf verschiedenen Marktplätzen vorgestellt. Während der Bereich des Mensch-Maschine-Datenmanagements komplexe soziale und technische Herausforderungen mit sich bringt, zielen die Beiträge dieser Arbeit darauf ab, zur Entwicklung dieses noch aufstrebenden Bereichs beizutragen.
Soziale Medien bieten eine leistungsstarke Möglichkeit für Menschen, Meinungen und Gefühle zu einem bestimmten Thema auszutauschen, sodass andere von diesen Gedanken und Gefühlen profitieren können. Dieses Verfahren erzeugt eine riesige Menge an unstrukturierten Daten, wie Texte, Bilder und Verweise, die durch täglich anwachsende Kommentare zu verwandten Diskussionen ständig zunimmt. Die riesige Menge an unstrukturierten Daten stellt jedoch ein Risiko für den Prozess der Informationsextraktion dar, sodass die Entscheidungsfindung zu einer großen Herausforderung wird. Dies liegt daran, dass die Datenflut zu einem Verlust von nützlichen Daten aufgrund ihrer unangemessenen Darstellung und ihrer Anhäufung führen kann. Insofern leistet diese Arbeit einen Beitrag zum Gebiet der Sentimentanalyse und des Opinion Mining, das darauf abzielt, Emotionen und Meinungen aus riesigen Text- und Bilddatensätzen zu extrahieren. Das ultimative Ziel ist es, jeden Text oder jedes Bild als Ausdruck einer positiven, negativen oder neutralen Emotion zu klassifizieren, um bei der Entscheidungsfindung zu helfen. Sentiment- und Meinungsklassifikatoren wurden für Text- und Bilddatensätze aus sozialen Medien entwickelt, z. B. für Firmen- oder Produktbewertungen, Blogbeiträge und sogar Twitter-Nachrichten. In dieser Arbeit wird zunächst eine neue Methode zur Reduktion der Dimension von Textdaten auf Basis von Data-Mining-Ansätzen vorgestellt und anschließend das Sentiment auf Basis von neuronalen und Deep Neural Network-Klassifikationsalgorithmen untersucht. Anschließend untersuchen wir im Gegensatz zur Sentiment-Analyseforschung in Textdatensätzen die Sentiment Ausdrucks- und Polaritätsklassifikation innerhalb und über Bilddatensätze hinweg, indem wir tiefe neuronale Netze auf Basis des Aufmerksamkeitsmechanismus aufbauen.
Manmade dams have been constructed from centuries for multiple purposes, and in the past decades they have been constructed in a fast pace, with the hotspot in tropical and subtropical regions. However, studies that explore hydrodynamics in these areas are scarce and biased to the rich literature available for temperate regions. Lakes and reservoirs have the same controlling mechanisms for physical processes and primary production, hence, analyses that were initially conceptualized for lakes are frequently applied for reservoirs. Nevertheless, longitudinal gradients in reservoirs challenges the application of these approaches.
Degradation of water quality in reservoirs is a major concern, and it is expected to be aggravated with climate change. Therefore, studies that explore mechanisms controlling water quality are essential for the maintenance of these systems, especially in tropical and subtropical regions. The aim of this thesis is to comprehend the role of hydrodynamic processes in the fate of nutrients in reservoirs and its implications on water quality, in a subtropical region. With focus on the relevance of different density current patterns. For that, analyses combining field measurements and numerical simulations were performed in a medium to small size subtropical drinking water reservoir for a complete seasonal cycle. Measurements were conducted combining several approaches: traditional sampling, sensors in high temporal and spatial resolution, and remote sensing. Besides, hydrodynamic models were set up and calibrated to reproduce observations, and to simulate scenarios that assisted on the analysis.
Results showed that different flow paths of density currents did not influence on phytoplankton dynamics. At the regions where the main nutrient supply was the river inflow (upstream), the density currents did not vary, the euphotic zone usually covered the entire depth, and vertical mixing was observed on a daily basis, turning the flow path of the density currents irrelevant. At downstream regions, the remobilization of nutrients in the sediment was the main source for primary production. Even though density currents had a seasonal pattern in the downstream region, thermal stratification conditions were the driver for variations in chlorophyll-a concentrations, with peaks after vertical mixing. This mechanism had in its favor the frequent anoxic conditions in the hypolimnion that enhanced the dissolution of reactive phosphorus from the sediment. Anoxic conditions were easily reached because the sediment in the downstream area was rich in organic matter. Phytoplankton produced in the upstream area was transported by the density currents, and for this reason, large concentrations of chl-a was observed below the euphotic zone. Further, the extensive measurements of temperature, and flow velocities, together with the hydrodynamic models, provided insights about the hydrodynamics of reservoirs. For instance, that the relevant processes occurred along the longitudinal, and mixing conditions varied along it. The relevance of inflow conditions regarding the presence of structures such as forebays and pre-dams, and the degree of stream shading in the catchment was assessed. And turbulence and internal waves had different features than the documented for high latitudes. Those findings can assist on the management of reservoirs, based on the comprehension of the physical processes.
The use of agricultural plastic covers has become common practice for its agronomic benefits such as improving yields and crop quality, managing harvest times better, and increasing pesticide and water use efficiency. However, plastic covers are suspected of partially breaking down into smaller debris and thereby contributing to soil pollution with microplastics. A better understanding of the sources and fate of plastic debris in terrestrial systems has so far been hindered by the lack of adequate analytical techniques for the mass-based and polymer-selective quantification of plastic debris in soil. The aim of this dissertation was thus to assess, develop, and validate thermoanalytical methods for the mass-based quantification of relevant polymers in and around agricultural fields previously covered with fleeces, perforated foils, and plastic mulches. Thermogravimetry/mass spectrometry (TGA/MS) enabled direct plastic analyses of 50 mg of soil without any sample preparation. With polyethylene terephthalate (PET) as a preliminary model, the method limit of detection (LOD) was 0.7 g kg−1. But the missing chromatographic separation complicated the quantification of polymer mixtures. Therefore, a pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry (Py-GC/MS) method was developed that additionally exploited the selective solubility of polymers in specific solvents prior to analysis. By dissolving polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene (PS) in a mixture of 1,2,4-trichlorobenzene and p-xylene after density separation, up to 50 g soil became amenable to routine plastic analysis. Method LODs were 0.7–3.3 mg kg−1, and the recovery of 20 mg kg−1 PE, PP, and PS from a reference loamy sand was 86–105%. In the reference silty clay, however, poor PS recoveries, potentially induced by the additional separation step, suggested a qualitative evaluation of PS. Yet, the new solvent-based Py-GC/MS method enabled a first exploratory screening of plastic-covered soil. It revealed PE, PP, and PS contents above LOD in six of eight fields (6% of all samples). In three fields, PE levels of 3–35 mg kg−1 were associated with the use of 40 μm thin perforated foils. By contrast, 50 μm PE films were not shown to induce plastic levels above LOD. PP and PS contents of 5–19 mg kg−1 were restricted to single observations in four fields and potentially originated from littering. The results suggest that the short-term use of thicker and more durable plastic covers should be preferred to limit plastic emissions and accumulation in soil. By providing mass-based information on the distribution of the three most common plastics in agricultural soil, this work may facilitate comparisons with modeling and effect data and thus contribute to a better risk assessment and regulation of plastics. However, the fate of plastic debris in the terrestrial environment remains incompletely understood and needs to be scrutinized in future, more systematic research. This should include the study of aging processes, the interaction of plastics with other organic and inorganic compounds, and the environmental impact of biodegradable plastics and nanoplastics.
Softwaresprachen und Technologien zu verstehen, die bei der Entwicklung einer Software verwendet werden, ist eine alltägliche Herausforderung für Software Engineers. Textbasierte Dokumentationen und Codebeispiele sind typische Hilfsmittel, die zu einem besseren Verständnis führen sollen. In dieser Dissertation werden verschiedene Forschungsansätze beschrieben, wie existierende Textpassagen und Codebeispiele identifiziert und miteinander verbunden werden können. Die Entdeckung solcher bereits existierender Ressourcen soll dabei helfen Softwaresprachen und Technologien auf einem konzeptionellen Level zu verstehen und zu vergleichen. Die Forschungsbeiträge fokussieren sich auf die folgenden Fragen, die später präzisiert werden. Welche existierenden Ressourcen lassen sich systematisch identifizieren, um strukturiertes Wissen zu extrahieren? Wie lassen sich die Ressourcen extrahieren? Welches Vokabular wird bereits in der Literatur verwendet, um konzeptionelles Wissen zur Struktur und Verwendung einer Software auszudrücken? Wie lassen sich Beiträge auf Wikipedia wiederverwenden? Wie können Codebeispiele zur Verwendung von ausgewählten Technologien auf GitHub gefunden werden? Wie kann ein Modell, welches Technologieverwendung repräsentiert, reproduzierbar konstruiert werden? Zur Beantwortung der Forschungsfragen werden qualitative Forschungsmethoden verwendet, wie zum Beispiel Literaturstudien. Des Weiteren werden Methoden entwickelt und
evaluiert, um relevante Artikel auf Wikipedia, relevante Textpassagen in der Literatur und Codebeispiele auf GitHub zu verlinken. Die theoretischen Beiträge werden in Fallstudien evaluiert. Die folgenden wissenschaftlichen Beiträge werden dabei erzielt: i.) Eine Referenzsemantik zur Formalisierung von Typen und Relationen in einer sprachfokussierten Beschreibung von Software; ii.) Ein Korpus bestehend aus Wikipedia Artikeln zu einzelnen Softwaresprachen; iii) Ein Katalog mit textuell beschriebenen Verwendungsmustern einer Technologie zusammen mit Messergebnissen zu deren Frequenz auf GitHub; iv.) Technologiemodelle, welche sowohl mit verschiedenen existierenden Codebeispielen als auch mit Textpassagen verknüpft sind.
To render the surface of a material capable of withstanding mechanical and electrochemical loads, and to perform well in service, the deposition of a thin film or coating is a solution. In this project, such a thin film deposition is carried out. The coating material chosen is titanium nitride (TiN) which is a ceramic material known to possess a high hardness (>10 GPa) as well as good corrosion resistance. The method of deposition selected is high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) that results in coatings with high quality and enhanced properties. Sputtering is a physical process that represents the removal or dislodgment of surface atoms by energetic particle bombardment. The term magnetron indicates that a magnetic field is utilized to increase the efficiency of the sputtering process. In HiPIMS, a high power is applied in pulses of low duty cycles to a cathode that is sputtered and that consists of the coating material. As result of the high power, the ionization of the sputtered material takes place giving the possibility to control these species with electric and magnetic field allowing thereby the improvement and tuning of coating properties. However, the drawback of HiPIMS is a low deposition rate.
In this project, it is demonstrated first that it is possible to deposit TiN coating using HiPIMS with an optimized deposition rate, by varying the magnetic field strength. It was found that low magnetic field strength (here 22mT) results in a deposition rate similar to that of conventional magnetron sputtering in which the average power is applied continuously, called also direct current magnetron sputtering (dcMS). The high deposition rate at low magnetic field strength was attributed to a reduction in the back attraction probability of the sputtered species. The magnetic field strength did not show noticeable influence on the mechanical properties. The proposed explanation was that the considered peak current density interval 1.22-1.72 A∙cm-2 does not exhibit dramatic changes in the plasma dynamics.
In a second part, using the optimized deposition rate, the optimized chemical composition of TiN was determined. It was shown that the chemical composition of TiN does not significantly influence the corrosion performance but impacts considerably the mechanical properties. It was also shown that the corrosion resistance of the coatings deposited using HiPIMS was higher than that of the coatings deposited using dcMS.
The third study was the effect of annealing post deposition on the properties of TiN coating deposited using HiPIMS. The hardness of the coatings showed a maximum at 400°C reaching 24.8 GPa. Above 400°C however, a lowering of the hardness was measured and was due to the oxidation of TiN which led to the formation of TiN-TiO2 composites with lower mechanical properties.
The coating microscopic properties such as crystal orientation, residual stresses, average grain size were determined from X-ray diffraction data and the roughness was measured using atomic force microscopy. These properties were found to vary with the magnetic field strength, the chemical composition as well as the annealing temperature.
Diet-related effects of antimicrobials in aquatic decomposer-shredder and periphyton-grazer systems
(2022)
Leaf-associated microbial decomposers as well as periphyton serve as important food sources for detritivorous and herbivorous macroinvertebrates (shredders and grazers) in streams. Shredders and grazers, in turn, provide not only collectors with food but also serve as prey for predators. Therefore, decomposer-shredder and periphyton-grazer systems (here summarized as freshwater biofilm-consumer systems) are highly important for the energy and nutrient supply in heterotrophic and autotrophic stream food webs. However, both systems can be affected by chemical stressors, amongst which antimicrobials (e.g., antibiotics, fungicides and algaecides) are of particular concern. Antimicrobials can impair shredders and grazers not only via waterborne exposure (waterborne effect pathway) but also through dietary exposure and microorganism-mediated alterations in the food quality of their diet (dietary effect pathway). Even though the relevance of the latter pathway received more attention in recent years, little is known about the mechanisms that are responsible for the observed effects in shredders and grazers. Therefore, the first objective of this thesis was to broaden the knowledge of indirect antimicrobial effects in a model shredder and grazer via the dietary pathway. Moreover, although freshwater biofilm-consumer systems are most likely exposed to antimicrobial mixtures comprised of different stressor groups, virtually nothing is known of these mixture effects in both systems. Therefore, the second objective was to assess and predict diet-related antimicrobial mixture effects in a model freshwater biofilm-consumer system. During this thesis, positive diet-related effects of a model antibiotic on the energy processing and physiology of the shredder Gammarus fossarum were observed. They were probably triggered by shifts in the leaf-associated microbial community in favor of aquatic fungi that increased the food quality of leaves for the shredder. Contrary to that, a model fungicide induced negative effects on the energy processing of G. fossarum via the dietary pathway, which can be explained by negative impacts on the microbial decomposition efficiency leading to a reduced food quality of leaf litter for gammarids. For diet-related antimicrobial effects in periphyton-grazer systems, a model algaecide altered the periphyton community composition by increasing nutritious and palatable algae. This resulted in an enhanced consumption and physiological fitness of the grazer Physella acuta. Finally, it was shown that complex horizontal interactions among leaf-associated microorganisms are involved, making diet-related antimicrobial mixture effects in the shredder G. fossarum difficult to predict. Thus, this thesis provides new insights into indirect diet-related effects of antimicrobials on shredders and grazers as well as demonstrates uncertainties of antimicrobial mixture effect predictions for freshwater biofilm-consumer systems. Moreover, the findings in this thesis are not only informative for regulatory authorities, as indirect effects and effects of mixtures across chemical classes are not considered in the environmental risk assessment of chemical substances, but also stimulate future research to close knowledge gaps identified during this work.
Binnengewässer spielen eine aktive Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie nehmen Kohlenstoff von stromaufwärts gelegenen Landmassen auf und transportieren ihn stromabwärts, bis er schließlich den Ozean erreicht. Auf diesem Weg sind vielfältige Prozesse zu beobachten, die zu einer (dauerhaften) Rückhaltung des Kohlenstoffs durch Einlagerung in Sedimenten sowie zu direkter Emission in die Atmosphäre führen. Es ist dringend notwendig diese Kohlenstoffflüsse und ihre anthropogene Veränderung zu quantifizieren. In diesem Zusammenhang muss die Aufmerksamkeit auf ein weit verbreitetes Merkmal von Gewässern gerichtet werden: ihre teilweise Austrocknung. Dies führt dazu, dass ehemals überschwemmte Sedimente in direkten Kontakt mit der Atmosphäre gelangen, genannt „dry inland waters“. Ein Merkmal der „dry inland waters“ sind überproportional hohe Kohlendioxid (CO2)-Emissionen. Diese Erkenntnis beruhte jedoch bisher auf lokalen Fallstudien, und es fehlt an Wissen über die globale Verbreitung und die grundlegenden Mechanismen dieser Emissionen. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, das Ausmaß und die Mechanismen der Kohlenstoffemissionen der „dry inland waters“ auf globaler und lokaler Ebene besser zu verstehen und die Auswirkungen von „dry inland waters“ auf den globalen Kohlenstoffkreislauf zu bewerten. Die spezifischen Forschungsfragen dieser Arbeit lauteten: (1) Wie fügen sich gasförmige Kohlenstoffemissionen von „dry inland waters“ in den globalen Kohlenstoffkreislauf und in die globalen Treibhausgasbudgets ein? (2) Welche Auswirkungen haben saisonale und langfristige Austrocknung auf den Kohlenstoffkreislauf von Gewässern? Diese Arbeit hat gezeigt, dass „dry inland waters“im globalen Maßstab unverhältnismäßig große Mengen an CO2 emittieren und dass diese Emissionen in allen Ökosystemen vergleichbaren Mechanismen folgen. Die Quantifizierung der globalen Wasserstandsschwankungen in Stauseen und die globale Berechnung der Kohlenstoffflüsse legen nahe, dass Stauseen mehr Kohlenstoff freisetzen als sie in den Sedimenten einlagern, was das derzeitige Verständnis von Stauseen als Nettokohlenstoffsenken in Frage stellt. Auf lokaler Ebene hat diese Arbeit gezeigt, dass sowohl die heterogenen Emissionsmuster verschiedener typischer Uferbereiche als auch die saisonalen Schwankungen der Kohlenstoffemissionen aus der „drawdown area“ berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus hat diese Arbeit gezeigt, dass die Remobilisierung von Kohlenstoff aus den Sedimenten bei dauerhafter Austrocknung von Gewässern die beobachteten Emissionsraten erklären kann, was die Hypothese einer positiven Rückkopplung zwischen Klimawandel und der Austrocknung von Gewässern unterstützt. Insgesamt unterstreicht die vorliegende Arbeit die Bedeutung der Emissionen aus trockenen Gewässerbereichen für den globalen Kohlenstoffkreislauf von Gewässern.
Invasive species play increasing roles worldwide. Invasions are considered successful when species establish and spread in their exotic range. Subsequently, dispersal is a major determinant of species’ range dynamics. Mermessus trilobatus, native to North America, has rapidly spread in Europe via aerial dispersal. Here we investigated the interplay of ecological and evolutionary processes behind its colonisation success.
First, we examined two possible ecological mechanisms. Similar to other invasive invertebrates, the colonisation success of Mermessus trilobatus might be related to human-induced habitat disturbance. Opposite to this expectation, our results showed that densities of Mermessus trilobatus decreased with soil disturbance in grasslands suggesting that its invasion success was not connected to a ruderal strategy. Further, invasive species often escape the ecological pressures from novel enemies in their exotic ranges. Unexpectedly, invasive Mermessus trilobatus was more sensitive to a native predator than native Erigone dentipalpis during our predator susceptibility trials. This indicates that the relation between the invasive spider and its native predator is dominated by prey naïveté rather than enemy release.
The remaining three chapters of the thesis investigated the dispersal behaviour of this invasive species. Hitherto, studies of passive aerial dispersal used wind as the primary dispersal-initiating factor despite a recent demonstration of the effects of the atmospheric electric fields on spiders’ pre-dispersal behaviour. During our experiments, only the wind facilitated the flight, although electric fields induced pre-dispersal behaviour in spiders. Consequently, studies around passive aerial dispersal should control electric fields but use wind as a stimulating factor.
Rapidly expanding species might be disproportionately distributed in their exotic range, with an accumulation of dispersive genotypes at the leading edge of their range. Such imbalanced spatial segregation is possible when the dispersal behaviour of expanding species is heritable. Our results showed that the dispersal traits of Mermessus trilobatus were heritable through both parents and for both sexes with recessive inheritance of high dispersal ability in this species.
Following the heritability experiments, we documented an accelerated spread of Mermessus trilobatus in Europe and tested whether dispersal, reproduction or competing ability was at the source of this pattern. Our results showed that the accumulation of more mobile but not reproductive or competitive genotypes at the expansion front of this invasive species gave rise to an accelerated range expansion by more than 1350 km in under 45 years.
Invasive Mermessus trilobatus is inferior to native sympatric species with respect to competing ability (Eichenberger et al., 2009), disturbance tolerance and predation pressure. Nevertheless, the species successfully established in its exotic range and spread by accelerating its expansion rate. Rapid reproduction that balances the high ecological pressures might be the other potential mechanism behind its colonisation success in Europe and deserves further investigation.
Intensivierung der Landwirtschaft führt weltweit zu einem fortschreitenden Verlust der biologischen Vielfalt in Agrarlandschaften. Die daraus resultierende Homogenität der Landschaft, die mit der Ausweitung von Monokulturflächen und dem Verlust naturnaher Lebensräume einhergeht, hat schwerwiegende Auswirkungen auf Arthropoden in Agrarlandschaften. Während Ackerflächen aufgrund intensiver und häufiger Störungen für viele Arten ungeeignete Habitate darstellen, können naturnahe Lebensräume in Agrarökosystemen als wichtige Rückzugsflächen fungieren. Die Erschaffung von naturnahen Lebensräumen durch Agrarumweltmaßnahmen in intensiven Agrarlandschaften, wie der Maifelder Agrarlandschaft in Westdeutschland, sollen den negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Intensivierung entgegenwirken. Allerdings ist die Wirksamkeit dieser Maßnahmen für den Artenschutz noch umstritten. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die Artenvielfalt der Käfer (Coleoptera) und Spinnen (Araneida) auf Weizenfeldern und verschiedenen naturnahen Lebensräumen (grasbewachsene Feldränder angrenzend an Weizen- und Rapsfelder; klein- und großflächige, mit Wildblumenmischungen eingesäte, Stilllegungsflächen; dauerhafte Grünlandbrachen) miteinander verglichen. Hierfür wurden die Arthropoden in den Jahren 2019 und 2020 mit Bodenfallen und Saugproben erfasst. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Landnutzung die Käfer- und Spinnendiversität im Untersuchungsgebiet beeinflusst, mit einer deutlich höheren Artenvielfalt auf den Grünlandbrachen als auf den Weizenfeldern. Überraschenderweise bestanden zwischen allen naturnahen Lebensräumen nur geringe Unterschiede, jedoch beherbergten sie unterschiedliche Artengemeinschaften. Hier unterschieden sich vor allem die Käfer- und Spinnengemeinschaften der großflächigen Grünlandbrachen deutlich von allen anderen untersuchten Landnutzungstypen. Insbesondere für Habitatspezialisten und gefährdete Arten stellten die Grünlandbrachen wichtige Lebensräume dar, wahrscheinlich aufgrund ihrer variablen Bodenfeuchtigkeit und komplexen Lebensraumstruktur. Im Gegensatz dazu wiesen Weizenfelder homogene Arthropodengemeinschaften mit einem geringeren Merkmalsreichtum auf und wurden von einigen wenigen räuberischen Arten dominiert, die sich an derartig intensive Lebensräume angepasst haben. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich alle Schutzmaßnahmen ergänzen, indem sie auf unterschiedliche Weise zur Förderung der Käfer und Spinnen auf landwirtschaftlichen Flächen beitragen können. Selbst kleinflächige naturnahe Lebensräume und bestehende Habitatgrenzen in einer landwirtschaftlichen Matrix scheinen wertvolle Lebensräume für Arthropoden in Agrarökosystemen darzustellen, indem sie zur Erhöhung der taxonomischen Vielfalt beitragen. Feldränder und kleine, mit Wildblumen eingesäte Flächen, können isolierte naturnahe Lebensräume miteinander verbinden und zu einer heterogenen Agrarlandschaft beitragen. Folglich führt eine Kombination verschiedener klein- und großflächiger Begrünungsmaßnahmen zu einer erhöhten Landschaftsheterogenität, die sich wiederum positiv auf die Käfer- und Spinnenvielfalt auswirkt. In Anbetracht des weltweit anhaltenden Verlustes der Artenvielfalt in Agrarlandschaften, sollten Agrarumweltmaßnahmen in Zukunft gefördert werden, da sie für den Arthropodenschutz in intensiven Agrarlandschaften, wie im Maifeld, besonders bedeutsam sind.
The ongoing loss of species is a global threat to biodiversity, affecting ecosystems worldwide. This also concerns arthropods such as insects and spiders, which are especially endangered in agricultural ecosystems. Here, one of the main causing factors is management intensification. In areas with a high proportion of traditionally managed grassland, extensive hay meadows that are cut only once per year can still hold high levels of biodiversity, but are threatened by conversion into highly productive silage grassland. The Westerwald mountain range, western Germany, is such a region. In this thesis, I compare the local diversity of bees, beetles, hoverflies, leafhoppers, and spiders of five grassland management regimes along a gradient of land-use intensity. These comprise naturally occurring grassland fallows, three types of traditionally managed hay meadows, and intensively used silage grassland. By using three different sampling methods, I recorded ground-dwelling, flower-visiting, and vegetation-dwelling species. The results show that in most cases species richness and diversity are highest on fallows, whereas variation among different managed grassland types is very low. Also, for most sampled taxa, fallows harbour the most distinct species assemblages, while that of other management regimes are largely overlapping. Management has the largest effect on species composition, whereas environmental parameters are of minor importance. Long-term grassland fallows seem to be highly valuable for arthropod conservation, even in a landscape with a low overall land-use intensity, providing structural heterogeneity. In conclusion, such fallows should be subsidized agri-environmental schemes, to preserve insect and spider diversity.
Eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft ist notwendig, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren ohne die Bodenqualität durch verstärkte Bodendegradation zu verschlechtern. Plastikmul-che (PM) werden weltweit zunehmend eingesetzt, um Wachstum und Ertrag von Feldfrüchten zu ver-bessern und somit die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern. Zunehmend finden sich aber auch kritische Aspekte der PM-Anwendung auf die Bodenqualität sowie widersprüchliche Ergebnisse in der wissenschaftlichen Literatur. Grund könnte die Anwendung in verschiedenen Klimaten und bei unter-schiedlichen Feldkulturen, Böden und landwirtschaftlichen Techniken sein. Ein genauerer Blick ist so-mit notwendig, um den PM-Einfluss auf die Bodenprozesse unter verschiedenen Klima- und Anbaube-dingungen umfassend zu verstehen und hinsichtlich einer nachhaltigen Landwirtschaft zu bewerten.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, zu verstehen, inwieweit eine mehrjährige PM-Anwendung verschiedene Bodeneigenschaften und -prozesse unter gemäßigt, humidem Klima in Mitteleuropa beeinflusst und die Folgen für die Bodenqualität zu bewerten. Hierfür untersuchte ich in einer dreijährigen Feldstudie, wie PM (schwarzes Polyethylen, 50 μm) das Mikroklima, die Strukturstabilität, die organische Bodensub-stanz (OBS) und die Konzentrationen bestimmter Fungizide und Mykotoxine in drei Bodenschichten (0–10, 10–30 and 30–60 cm) im Vergleich zu Strohmulch (SM) beeinflusst. Beide Bodenabdeckungen wurden in einer Dammkultur mit Tröpfchenberegnung im Erdbeeranbau eingesetzt.
Die PM veränderten das Mikroklima des Bodens hin zu höheren Temperaturen und niedrigeren Was-sergehalten. Hauptfaktor für das gesteigerte Pflanzenwachstum unter gegebenem Klima dürfte somit die höhere Bodentemperatur sein. Die niedrigere Bodenfeuchte unter PM zeigte, dass die verhinderte Nie-derschlagsversickerung stärker den Wasserhaushalt beeinflusste als die reduzierte Evaporation, was auf eine ineffiziente Niederschlagsnutzung hinweist. Die PM veränderten den Wasserkreislauf hin zu ver-mehrt seitlichen Wasserflüssen von der Furche zum Damm und weniger vertikalen Sickerwasserflüssen im Damm. Letzteres verringerte die Stickstoffauswaschung im Oberboden (0–10 cm) in der Anwachs-phase der Erdbeeren. PM verhinderte eine abrupte Bodendurchnässung und Überschusswasser bei Re-genfällen und somit Aggregatzerstörung. So wurde eine lockere und stabile Bodenstruktur erhalten, die Bodenverdichtung und Bodenerosion vorbeugt. PM veränderte Kohlenstoffaustausch und -umwandlung hin zu einer größeren und stabileren OBS. Somit kompensierte die unterirdische Biomassenproduktion unter PM den temperaturbedingt beschleunigten OBS Abbau sowie den fehlenden Eintrag oberirdischer Biomasse. Das SM erhöhte jedoch die labile und totale OBS im Oberboden nach dem ersten Versuchs-jahr und steigerte das mikrobielle Wachstum durch den oberirdischen Biomasseeintrag. PM verringerte den Fungizideintrag in den Boden und verursachte kein erhöhtes Mykotoxinvorkommen. Somit stellt PM kein erhöhtes Risiko für Bodenkontaminationen und die Bodenqualität dar. Diese Doktorarbeit zeigte, dass sich die PM-Effekte zeitlich, saisonal und zwischen den Bodenschichten unterschieden, womit die Bedeutung der Faktoren Bodentiefen und Zeit für zukünftige Studien belegt wurde.
Verglichen mit ariden Gebieten, waren die beobachteten PM-Einflüsse klein, ausgeblieben oder anders. Als Grund hierfür vermute ich, dass PM in humidem Klima die Bodenfeuchte verringerte anstatt zu erhöhen und dass unter SM das Stroh und Blätterwerk einen PM-ähnlichen „Abdeckungseffekt“ verur-sachte. Eine Generalisierung der PM-Effekte über verschiedenen Klimazonen ist somit kaum möglich, da sich die Effekte in Art und Ausmaß in Abhängigkeit vom Klima unterscheiden. Die PM-Effekte auf die Bodenqualität müssen somit differenziert beurteilt werden. Ich schlussfolgere, dass PM in humiden Klimaten Bodendegradationen vermindern könnte (z.B., OBS Abbau, Erosion, Nährstoffauswaschung, Verdichtung und Kontamination) und somit hilft, Bodenqualität zu erhalten und eine nachhaltige, land-wirtschaftliche Intensivierung zu ermöglichen. Allerdings ist weitere Forschung nötig um meine Ergeb-nisse auf größeren Skalen, über längere Zeitperioden und bei verschiedenen Böden und Feldfrüchte zu überprüfen, verbleibende offene Fragen zu beantworten und Verbesserungen zu entwickeln, um die Nachteile der PM zu überwinden (z.B. Bodenverunreinigung mit Plastik, Entsorgung der Mulche).
The decline of biodiversity can be observed worldwide and its consequences are alarming. It is therefore crucial that nature must be protected and, where possible, restored. A wide variety of different project options are possible. Yet in the context of limited availability of resources, the selection of the most efficient measures is increasingly important. For this purpose, there is still a lack of information. This pertains, as outlined in the next paragraph, in particular, to information at different scales of projects.
Firstly, there is a lack of information on the concrete added value of biodiversity protection projects. Secondly, there is a lack of information on the actual impacts of such projects and on the costs and benefits associated with a project. Finally, there is a lack of information on the links between the design of a project, the associated framework conditions and the perception of specific impacts. This paper addresses this knowledge gap by providing more information on the three scales by means of three empirical studies on three different biodiversity protection projects in order to help optimize future projects.
The first study “Assessing the trade-offs in more nature-friendly mosquito control in the Upper Rhine region” examines the added value of a more nature-friendly mosquito control in the Upper Rhine Valley of Germany using a contingent valuation method. Recent studies show that the widely used biocide Bti, which is used as the main mosquito control agent in many parts of the world, has more negative effects on nature than previously expected. However, it is not yet clear whether the population supports a more nature-friendly mosquito control, as such an adaptation could potentially lead to higher nuisance. This study attempts to answer this question by assessing the willingness to pay for an adapted mosquito control strategy that reduces the use of Bti, while maintaining nuisance protection within settlements. The results show that the majority of the surveyed population attaches a high value to a more nature-friendly mosquito control and is willing to accept a higher nuisance outside of the villages.
The second study “Inner city river restoration projects: the role of project components for acceptance” examines the acceptance of a river restoration project in Rhineland-Palatinate, Germany. Despite much effort, many rivers worldwide are still in poor condition. Therefore, a rapid implementation of river restoration projects is of great importance. In this context, acceptance by society plays a fundamental role, however, the factors determining such acceptance are still poorly understood. In particular, the complex interplay between the acceptance or rejection of specific project components and the acceptance of the overall project require further exploration. This study addresses this knowledge gap by assessing the acceptance of the project, its various ecological and social components, and the perception of real and fictitious costs as well as the benefits of the components. Our findings demonstrate that while acceptance of the overall project is generally rather high, many respondents reject one or more of the project's components. Complementary social project components, like a playground, find less support than purely ecological components. Overall, our research shows that complementary components may increase or decrease acceptance of the overall project. We, furthermore, found that differences in the acceptance of the individual components depend on individual concerns, such as perceived flood risk, construction costs, expected noise and littering as well as the quality of communication, attachment to the site, and the age of the respondents.
The third study “What determines preferences for semi-natural habitats in agrarian landscapes? A choice-modelling approach across two countries using attributes characterizing vegetation” investigates people's aesthetic preferences for semi-natural habitats in agricultural landscapes. The EU-Common Agricultural Policy promotes the introduction of woody and grassy semi-natural habitats (SNH) in agricultural landscapes. While the benefits of these structures in terms of regulating ecosystem services are already well understood, the effects of SNH on visual landscape quality is still not clear. This study investigates the factors determining people’s visual preferences in the context of grassy and woody SNH elements in Swiss and Hungarian landscapes using picture-based choice experiments. The results suggest that respondents’ choices strongly depend on specific vegetation characteristics that appear and disappear over the year. In particular, flowers as a source of colours and green vegetation as well as ordered structure and the proportion of uncovered soil in the picture play an important role regarding respondents’ aesthetic perceptions of the pictures.
The three empirical studies can help to make future projects in the study areas of biodiversity protection more efficient. While this thesis highlights the importance of exploring biodiversity protection projects at different scales, further analyses of the different scales of biodiversity protection projects are needed to provide a sound basis to develop guidance on identifying the most efficient biodiversity protection projects.
In den vergangenen Jahrzehnten haben sich Einzelpartikelanalyse (EPA) und Kryotransmissionselektronenmikroskopie(Kryo-EM) zu einer der führenden Technologien für die strukturelle Analyse von biologischen Makromolekülen entwickelt. Dies erlaubt die Untersuchung biologischer Strukturen in einem möglichst naturgetreuen Zustand auf molekularer Ebene. In den letzten fünf Jahren überwand die EPA erstmals die Auflösungsgrenze von 2°A und erreichte somit atomare Auflösung, was bislang nur mittels Röntgenkristallographie möglich war. Ein bestehendes Problem der Kryo-EM ist der schwache Bildkontrast. Seit der Einführung der Kryo-EM in den 1980er Jahren, wurde an Phasenplatten als mögliches Werkzeug, zur Verbesserung des Bildkontrasts geforscht. Hier limitierten immer technische Probleme bei der Herstellung oder geräteseitige Limitierungen, wie z.B. Hysterese der Linsen, den erfolgreichen Einsatz solcher Phasenplatten. Insbesondere ein automatisierter Arbeitsablauf für die Steuerung des Mikroskops und die Aufnahme der Bilder ließ sich nie realisieren. In dieser Doktorarbeit wurde eine neue Zernike-Phasenplatte entwickelt und untersucht. Freistehende Metallfilme dienten als Phasenplattenmaterial, um Alterungsund Kontaminationsprobleme der bislang üblichen kohlenstoffbasierten Phasenplatten zu überwinden. In ersten Experimenten zur Materialwahl wurde Iridium als geeignetes Metall identifiziert. Der zweite Teil der Arbeit behandelt die Untersuchung der Iridium-Phasenplatten hinsichtlich ihrer Eigenschaften und ihrem Verhalten im Elektronenmikroskop. Ein Resultat dieser Experimente ist der sogenannte rocking-Modus, bei dem die Phasenplatte während der Aufnahme bewegt wird und wodurch sich Streuungs- und andere Artefakte, die bei den Zernike-Phasenplatten üblicherweise auftreten, verhindern oder deutlich reduzieren ließen. Die Entwicklung eines angepassten Workflow ermöglichte die Aufnahme von EPADatens ätzen mit Phasenplatte über mehrere Tage. Für die Evaluierung der Phasenplattendaten wurden Datensätze von Apoferritin mit und ohne Phasenplatte aufgenommen und miteinander verglichen.
Water is used in a way as if it were available infinitely. Droughts, increased rainfall or flooding already lead to water shortages and, thus, deprive entire population groups of the basis of their livelihoods. There is a growing fear that conflicts over water will increase, especially in arid climate zones, because life without water - whether for humans, animals or plants - is not possible.
More than 60 % of the African population depend on land and water resources for their livelihoods through pastoralism, fishing and farming. The water levels of rivers and lakes are decreasing. Hence, the rural population which is dependent on land and water move towards water-rich and humid areas. This internal migration increases the pressure on available water resources. Driven by the desire to strengthen the economic development, African governments align their political agendas with the promotion of macro international and national economic projects.
This doctoral thesis examines the complex interrelationships between water shortages, governance, vulnerability, adaptive capacity and violent and non-violent conflicts at Lake Naivasha in Kenya and Lake Wamala in Uganda. In order to satisfy the overall complexity, this doctoral thesis combines various theoretical and empirical aspects in which a variety of methods are applied to different geographical regions, across disciplines, and cultural and political boundaries.
The investigation reveals that Lake Naivasha is more affected by violent conflicts than Lake Wamala. Reasons for this include population growth, historically grown ethnic conflicts, corruption and the preferential treatment of national and international economic actors. The most common conflict response tools are raiding and the blockage of water access. However, deathly encounters, destruction of property and cattle slaughtering are increasingly used to gain access to water and land.
The insufficient implementation of the political system and the governments’ prioritization to foster economic development results, on the one hand, in the commercialization of water resources and increases, on the other hand, non-violent conflict between national and sub-national political actors. While corruption, economic favours and patronage defuse this conflict, resource access becomes more difficult for the local population. Resulting thereof, a final hypothesis is developed which states that the localization of the political conflict aggravates the water situation for the local population and, thereby, favours violent conflicts over water access and water use in water-rich areas.
Das Web ist ein wesentlicher Bestandteil der Transformation unserer Gesellschaft in das digitale Zeitalter. Wir nutzen es zur Kommunikation, zum Einkaufen und für unsere berufliche Tätigkeit. Der größte Teil der Benutzerinteraktion im Web erfolgt über Webseiten. Daher sind die Benutzbarkeit und Zugänglichkeit von Webseiten relevante Forschungsbereiche, um das Web nützlicher zu machen. Eyetracking ist ein Werkzeug, das in beiden Bereichen hilfreich sein kann. Zum einen um Usability-Tests durchzuführen, zum anderen um die Zugänglichkeit zu verbessern. Es kann verwendet werden, um die Aufmerksamkeit der Benutzer auf Webseiten zu verstehen und Usability-Experten in ihrem Entscheidungsprozess zu unterstützen. Darüber hinaus kann Eyetracking als Eingabemethode zur Steuerung einer Webseite verwendet werden. Dies ist besonders nützlich für Menschen mit motorischen Beeinträchtigungen, die herkömmliche Eingabegeräte wie Maus und Tastatur nicht benutzen können. Allerdings werden Webseiten aufgrund von Dynamiken, d. h. wechselnden Inhalten wie animierte Menüs und Bilderkarussells, immer komplexer. Wir brauchen allgemeine Ansätze zum Verständnis der Dynamik auf Webseiten, die eine effiziente Usability-Analyse und eine angenehme Interaktion mit Eyetracking ermöglichen. Im ersten Teil dieser Arbeit berichten wir über unsere Forschung zur Verbesserung der blickbasierten Analyse von dynamischen Webseiten. Eyetracking kann verwendet werden, um die Blicke von Nutzern auf Webseiten zu erfassen. Die Blicke zeigen einem Usability-Experten, welche Teile auf der Webseite gelesen, überflogen oder übersprungen worden sind. Die Aggregation von Blicken ermöglicht einem Usability-Experten allgemeine Eindrücke über die Aufmerksamkeit der Nutzer, bevor sie sich mit dem individuellen Verhalten befasst. Dafür müssen alle Blicke entsprechend des von den Nutzern erlebten Inhalten verstanden werden. Die Benutzererfahrung wird jedoch stark von wechselnden Inhalten beeinflusst, da diese einen wesentlichen Teil des angezeigten Bildes ausmachen können. Wir grenzen unterschiedliche Zustände von Webseiten inklusive wechselnder Inhalte ab, so dass Blicke von mehreren Nutzern korrekt aggregiert werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit berichten wir über unsere Forschung zur Verbesserung der blickbasierten Interaktion mit dynamischen Webseiten. Eyetracking kann verwendet werden, um den Blick während der Nutzung zu erheben. Der Blick kann als Eingabe zur Steuerung einer Webseite interpretiert werden. Heutzutage wird die Blicksteuerung meist zur Emulation einer Maus oder Tastatur verwendet, was eine komfortable Bedienung erschwert. Es gibt wenige Webbrowser-Prototypen, die Blicke direkt zur Interaktion mit Webseiten nutzen. Diese funktionieren außerdem nicht auf dynamischen Webseiten. Wir haben eine Methode entwickelt, um Interaktionselemente wie Hyperlinks und Texteingaben effizient auf Webseiten mit wechselnden Inhalten zu extrahieren. Wir passen die Interaktion mit diesen Elementen für Eyetracking an, so dass ein Nutzer bequem und freihändig im Web surfen kann. Beide Teile dieser Arbeit schließen mit nutzerzentrierten Evaluationen unserer Methoden ab, wobei jeweils die Verbesserungen der Nutzererfahrung für Usability-Experten bzw. für Menschen mit motorischen Beeinträchtigungen untersucht werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Gebäude und Infrastrukturen prägen das Bild unserer Kulturlandschaften und erbringen essentielle Dienstleistungen für die menschliche Gesellschaft. Sie wirken sich jedoch auch unweigerlich auf die natürliche Umwelt aus, z.B. durch die strukturelle Veränderung von Lebensräumen. Überdies gelten sie aufgrund der Freisetzung chemischer Inhaltsstoffe aus den eingesetzten Baumaterialien als potentielle Verursacher negativer Umweltauswirkungen. Galvanische Anoden und organische Beschichtungen, die an Stahlbauwerken regelmäßig zum Schutz vor Korrosion zum Einsatz kommen, sind als Baumaterialien für die Verkehrsinfrastruktur von besonderer Bedeutung. In direktem Kontakt mit einem Wasserkörper oder indirekt über den Abfluss nach einem Niederschlagsereignis können zahlreiche Chemikalien in aquatische Lebensräume emittiert werden und eine Gefahr für Wasserorganismen darstellen. Zur Beurteilung der Umweltverträglichkeit von Bauprodukten existiert bislang kein einheitlicher Untersuchungs- und Bewertungsansatz. Zudem stellen galvanische Anoden und organische Beschichtungen aufgrund ihrer Zusammensetzung besondere Herausforderungen an deren ökotoxikologische Charakterisierung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die Gefährdung der aquatischen Umwelt durch galvanische Anoden und Korrosionsschutzbeschichtungen mithilfe ökotoxikologischer Untersuchungen zu beurteilen und standardisierte Bewertungsverfahren für diese Materialien zu entwickeln.
Die Untersuchung des möglichen Umwelteinflusses durch die Anwendung von Anoden an Offshore-Anlagen erfolgte auf drei trophischen Ebenen. Um eine möglichst realistischste und zuverlässige Abschätzung zu gewährleisten, wurden die Experimente in natürlichem Meerwasser und unter natürlichen pH-Bedingungen durchgeführt. Zudem erfolgte die Exposition gegenüber dem Anodenmaterial und deren Hauptbestandteilen Zink und Aluminum unter Simulation eines Worst-Case-Szenarios. Das untersuchte Anodenmaterial verursachte eine schwache Hemmung des Algenwachstums; auf die getesteten Leuchtbakterien und Flohkrebse zeigte es keine akute Toxizität. Allerdings wurde eine Erhöhung der Aluminium- und Indiumgehalte in den Krebsen festgestellt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde keine direkte Gefahr für marine Organismen durch den Einsatz galvanischer Aluminium-Anoden identifiziert. Eine Anreicherung von Metallen in Krebstieren und ein daraus resultierender Eintrag ins marine Nahrungsnetz kann jedoch nicht ausgeschlossen werden.
Die Umweltverträglichkeit organischer Beschichtungssysteme wurde exemplarisch für eine Auswahl relevanter Produkte auf Basis von Epoxidharzen (EP) und Polyurethanen bewertet. Dazu wurden beschichtete Probeplatten schrittweise über 64 Tage ausgelaugt. Die gewonnenen Eluate wurden systematisch auf ihre ökotoxikologischen Effekte (akute Toxizität gegenüber Algen und Leuchtbakterien, mutagene und estrogenartige Wirkungen) und chemische Zusammensetzung analysiert. Dabei zeigten sich insbesondere die EP-basierten Beschichtungen durch die Verursachung erheblicher bakterieller Toxizität und estrogenartiger Wirkung auffällig. Als primärer Urheber dieser Effekte wurde das kontinuierlich freigesetzte 4-tert-Butylphenol identifiziert, dessen Konzentration in allen Proben die predicted no effect concentration für Süßwasser überschritt. Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass die Gesamttoxizität nicht durch den Gehalt an 4-tert-Butylphenol in den Produkten bestimmt wird, sondern vom Freisetzungsmechanismus dieser Verbindung aus den untersuchten Polymeren abhängig ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Optimierung der Zusammensetzung, beispielsweise aufgrund einer besseren Polymerisation der Inhaltsstoffe, zu einer Reduzierung von Emissionen und damit zu einer verminderten Belastung der Umwelt führen kann.
Regen, Temperaturwechsel und Sonneneinstrahlung können zur Verwitterung polymerer Korrosionsschutzbeschichtungen führen. Um den Einfluss lichtbedingter Alterung auf die Ökotoxizität von Deckbeschichtungen zu erfassen, wurde die Emissionen und damit verbundene negative Auswirkungen von UV-bestrahlten und unbehandelten EP-basierten Produkten miteinander verglichen. Nach statischer Auslaugung stand dabei die Untersuchung estrogenartiger und bakterien-toxischer Wirkungen im Fokus, die sowohl im klassischen Mikrotiterplattenformat als auch in Kopplung mit Dünnschichtplatten detektiert wurden. Beide untersuchten Materialien zeigten nach Bestrahlung eine signifikante Abnahme der ökotoxikologischen Effekte bei gleichzeitiger Verringerung der Freisetzung von 4-tert-Butylphenol. Jedoch wurden auch Bisphenol A und verschiedene Strukturanaloga als photolytische Abbauprodukte der Polymere nachgewiesen, die ebenfalls zur beobachteten Wirkung beitrugen. Die Identifizierung bioaktiver Inhaltsstoffe konnte dabei durch die erfolgreiche Kombination der in-vitro-Bioassays mit chemischen Analysen im Sinne einer effektgeleiteten Analytik unterstützt werden. Die vorliegenden Ergebnisse liefern wichtige Hinweise für die Beurteilung der generellen Eignung von Deckbeschichtungen auf Basis von Epoxidharzen.
Das im Rahmen der vorliegenden Studie entwickelte Untersuchungskonzept konnte erfolgreich auf eine Auswahl relevanter Baumaterialien angewendet werden. Die gezielte Anpassung einzelner Standardmethoden erlaubte dabei eine individuelle Produktbewertung. Gleichzeitig wurde sowohl die Zweckmäßigkeit der angewendeten ökotoxikologischen Methoden für die Untersuchung von Materialien unbekannter und komplexer Zusammensetzung bestätigt als auch die Basis für eine systematische Bewertung der Umweltverträglichkeit von Korrosionsschutzprodukten geschaffen. Vor dem Hintergrund der Europäischen Bauprodukteverordnung kann der gewählte Ansatz dem einfachen Vergleich verschiedener Baumaterialien z.B. innerhalb einer Produktgruppe dienen und damit die Auswahl umweltverträglicher Produkte vereinfachen und zur Optimierung einzelner Rezepturen beitragen.
Method development for the quantification of pharmaceuticals in aqueous environmental matrices
(2021)
Als Folge des Weltbevölkerungswachstums und des daraus resultierenden Wassermangels ist das Thema Wasserqualität zunehmend im Fokus der Öffentlichkeit. In diesem Kontext stellen anthropogene organische Stoffe - oft als Mikroschadstoffe bezeichnet - eine Bedrohung für die Wasserressourcen dar. Besonders Pharmazeutika werden aufgrund ihrer permanenten Einleitung, ihres steigenden Verbrauchs und ihrer wirkungsbasierten Strukturen mit besonderer Besorgnis diskutiert. Pharmazeutika werden hauptsächlich über Kläranlagen in die Umwelt eingeleitet, zusammen mit ihren Metaboliten und den vor Ort gebildeten Transformationsprodukten (TPs). Wenn sie die aquatische Umwelt erreichen, verteilen sie sich zwischen den verschiedenen Umweltkompartimenten, insbesondere der Wasserphase, Schwebstoffen (SPM) und Biota. In den letzten Jahrzehnten wurden Pharmazeutika in der Wasserphase umfassend untersucht. Allerdings wurden extrem polare Pharmazeutika aufgrund des Mangels an robusten Analysemethoden nur selten überwacht. Zudem wurden Metaboliten und TPs selten in Routineanalysemethoden einbezogen, obwohl ihre Umweltrelevanz nachgewiesen ist. Darüber hinaus wurden Pharmazeutika nur sporadisch in SPM und Biota untersucht und es fehlen adäquate Multi-Analyt-Methoden, um umfassende Ergebnisse über ihr Vorkommen in diesen Matrices zu erhalten. Die vorliegende Arbeit wird, diese Wissenslücken durch die Entwicklung generischer Multi-Analyt-Methoden zur Bestimmung von Pharmazeutika in der Wasserphase, SPM und Biota geschlossen und das Vorkommen und die Verteilung von Pharmazeutika in diesen Kompartimenten bewertet. Für einen vollständigen Überblick wurde ein besonderer Schwerpunkt auf polare Pharmazeutika, pharmazeutische Metaboliten und TPs gelegt. Insgesamt wurden drei innovative Multi-Analyt-Methoden entwickelt, deren Analyten ein breites Spektrum an physikalisch-chemischen Eigenschaften abdecken. Zuerst wurde eine zuverlässige Multi-Analyt-Methode entwickelt um extrem polare Pharmazeutika, deren Metaboliten und TPs in wässrigen Umweltproben zu untersuchen. Die ausgewählten Analyten deckten einen signifikanten Bereich erhöhter Polarität ab und die Methode ist leicht um weitere Analyten erweiterbar. Diese Vielseitigkeit konnte durch die Verwendung der Gefriertrocknung als Probenvorbereitung und der zwitterionischen Hydrophile Interaktionschromatographie (HILIC) im Gradientenelutionsmodus erreicht werden. Die Eignung der HILIC-Chromatographie zur gleichzeitigen Quantifizierung einer großen Bandbreite von Mikroschadstoffe in wässrigen Umweltproben wurde gründlich untersucht. Es wurde auf mehrere Einschränkungen hingewiesen: eine sehr komplexe und zeitaufwändige Methodenentwicklung, eine sehr hohe Empfindlichkeit hinsichtlich der Änderung des Acetonitril-Wasser-Verhältnisses im Eluenten oder im Verdünnungsmittel und hohe positive Matrixeffekte für bestimmte Analyten. Diese Einschränkungen können jedoch durch die Verwendung eines präzisen Protokolls und entsprechend markierter interner Standards überwunden werden und werden durch die Vorteile von HILIC, die die chromatographische Trennung von extrem polaren Mikroverunreinigungen ermöglicht, überkompensiert. Die Untersuchung von Umweltproben zeigte erhöhte Konzentrationen der Analyten in der Wasserphase. Insbesondere Gabapentin, Metformin, Guanylharnstoff und Oxypurinol wurden bei Konzentrationen im µg/LBereich im Oberflächenwasser gemessen. Für die Bestimmung von 57 Pharmazeutika und 47 Metaboliten und TPs, die an SPM sorbiert sind, wurde anschließend eine verlässliche Multi-Analyt-Methode etabliert, die eine Quantifizierung bis in den niedrigen ng/g-Bereich erlaubt. Diese Methode wurde konzipiert, um einen großen Polaritätsbereich abzudecken, insbesondere unter Einbeziehung extrem polarer Pharmazeutika. Das Extraktionsverfahren basierte auf einer Druckflüssigkeitsextraktion (PLE), gefolgt von einer Reinigung durch Lösungsmittelaustausch und Detektion durch direkte Injektion-Umkehrphasen-LCMS/MS und Gefriertrocknung-HILIC-MS/MS. Das Sorptionspotential der Pharmazeutika wurde anhand von Laborexperimenten untersucht. Abgeleitete Verteilungskoeffizienten Kd variierten um fünf Größenordnungen unter den Analyten und bestätigten ein hohes Sorptionspotential für positiv geladene und unpolare Pharmazeutika. Das Vorkommen von Pharmazeutika in SPM deutscher Flüsse wurde durch die Untersuchung jährlicher Mischproben bewertet, die zwischen 2005 und 2015 an vier Standorten am Rhein und einem Standort an der Saar entnommen wurden. Dabei zeigte sich das ubiquitäre Vorkommen von an SPM sorbierten Pharmazeutika in diesen Flüssen. Insbesondere positiv geladene Analyten, auch sehr polare und unpolare Pharmazeutika zeigten nennenswerte Konzentrationen. Für viele Pharmazeutika wurde eine deutliche Korrelation zwischen den jährlich in Deutschland konsumierten Mengen und den in SPM gemessenen Konzentrationen festgestellt. Untersuchungen der zusammengesetzten räumlichen Verteilung von SPM erlaubten es, durch den Vergleich der Verschmutzungsmuster entlang des Flusses Hinweise auf spezifische industrielle Einleitungen zu erhalten. Diese Ergebnisse zeigten zum ersten Mal das Potential von SPM für die Überwachung von positiv geladenen und unpolaren Pharmazeutika in Oberflächengewässern. Für Pharmazeutika mit erhöhter Sorptionsaffinität (Kd uber 500 L/kg) erlauben SPM-Analysen sogar die Überwachung niedrigerer Emissionen. Schließlich wurde eine zuverlässige und generische Multi-Analyt-Methode zur Untersuchung von 35 Pharmazeutika und 28 Metaboliten und TPs in Fischplasma, Fischleber und Fischfilet entwickelt. Für diese Matrix war es eine große Herausforderung eine adäquate Aufreinigung zu entwickeln, die eine ausreichende Trennung der störenden Matrix von den Analyten ermöglicht. Bei der endgültigen Methode wurde die Extraktion von Fischgewebe durch Zellaufschluss durchgeführt, gefolgt von einem nicht diskriminierenden Clean-up auf der Basis von Kieselgel-Festphasenextraktion (SPE) und Materialien mit eingeschränkter Zugänglichkeit (RAM). Die Anwendung der entwickelten Methode auf die Messung von Brassen- und Karpfengeweben aus deutschen Flüssen zeigte, dass selbst polare Mikroverunreinigungen wie z.B. Pharmazeutika in Fischgeweben ubiquitär vorhanden sind. Insgesamt wurden 17 Analyten zum ersten Mal in Fischgewebe nachgewiesen, darunter 10 Metaboliten/TPs. Die Bedeutung der Überwachung von Metaboliten und TPs in Fischgeweben wurde durch deren Nachweis in ähnlichen Konzentrationen wie bei ihren Ausgangsstoffe bestätigt. Es zeigte sich, dass Leber und Filet für die Überwachung von Pharmazeutika in Fischen geeignet ¨ sind, während Plasma aufgrund sehr niedriger Konzentrationen und erschwerter Probenahme ungeeignet ist. Erhöhte Konzentrationen bestimmter Metaboliten deuten auf eine mögliche Bildung menschlicher Metaboliten in Fischen hin. Die gemessenen Konzentrationen weisen jedoch auf ein geringes Bioakkumulationspotential für Pharmazeutika in Fischgeweben hin.
Viele chemische Verbindungen, einschließlich Spurenelemente aus natürlichen und anthropogenen Quellen, verbleiben temporär oder endgültig in den Sedimenten der Oberflächengewässer. Ob diese als Quelle oder Senke von Metallen und Metalloiden (Metall(oid)e) fungieren, hängt von der Dynamik der biogeochemischen Prozesse ab, die an der Wasser-Sediment-Grenzschicht (sediment water interface - SWI) ablaufen. Wichtige Informationen zu biogeochemischen Prozessen sowie zur Exposition, zum Verbleib und zum Transport von Schadstoffen an der SWI lassen sich durch die Ermittlung von Konzentrationsprofilen im Sedimentporenwasser gewinnen. Dabei besteht die Herausforderung zum einen darin eine räumliche Auflösung zu realisieren, die es erlaubt, bestehende Gradienten adäquat zu erfassen und zu gleich hinreichend viele Parameter aufzunehmen, um die komplexen Prozesse zu verstehen. Zum anderen gilt es die Bildung von Probenahme-Artefakten zu verhindern, die durch die labile Natur der SWI sowie die steilen biogeochemischen Gradienten verursacht werden.
Vor diesem Hintergrund wurde im ersten Teil dieser Arbeit ein System zur automatisierten, minimal-invasiven Untersuchung der SWI entwickelt und erprobt. Das System ermöglicht die Beprobung des Sedimentporenwassers ungestörter oder manipulierter Sedimente bei gleichzeitiger Erfassung von Parametern wie Redoxpotential, Sauerstoffgehalt und pH-Wert. Im Rahmen eines Inkubationsexperimentes wurde der Einfluss von Versauerung und mechanischer Störung (Resuspension) auf die Mobilität von 13 Metall(oid)en untersucht, die mittels Tripel-Quadrupol induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-QQQ-MS) quantifiziert wurden. Während die meisten Metalle in Folge von Sulfid-Verwitterung freigesetzt wurden hatte die mechanische Störung einen großen Einfluss auf die Mobilität der oxidbildenden Elemente As, Mo, Sb, U und V. Zusätzlich wurde gezeigt, dass das Probenahme-System zudem Optionen zur Untersuchung der Größenfraktionierung von Metall(oid)en sowie der Speziierung von As(III/V) und Sb(III/V) bietet.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Fokus - mit einem ähnlichen experimentellen Design - auf die Prozesse gelegt, die zur Freisetzung von Metall(oid)en führen. Zu diesem Zweck wurden zwei Inkubationsexperimente mit unterschiedlicher Sauerstoffversorgung parallel durchgeführt. Erstmals wurden mittels ICP-QQQ-MS die Nichtmetalle Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel in einem Analyselauf gemeinsam mit 13 Metall(oid)en in Sedimentporenwasser quantifiziert. Die Größenfraktionierung der Metall(oid)e wurde über den gesamten Verlauf der Experimente überwacht. Es bestätigte sich, dass Sediment-Resuspension die Mobilität von Metalloiden wie As, Sb und V fördert, während die Freisetzung der meisten Metalle weitgehend auf die Verwitterung von Pyrit zurückzuführen war. Der kolloidale Beitrag (0,45 - 16 μm) zur Mobilisierung war nur für wenige Elemente relevant.
Schließlich wurde das Probenahmesystem im Rahmen eines neuen Ansatzes zur Sedimentbewertung eingesetzt. Dabei wurden ungestörte Sedimentkerne unterschiedlich kontaminierter Positionen im Trave-Ästuar untersucht und neben 16 Metall(oid)en, die Nichtmetalle C, P und S sowie die Ionen NH4+, PO43- und SO42- berücksichtigt. Durch den ersten umfangreichen Vergleich mit in-situ Dialyse-basierter Porenwasserbeprobung wurde die Eignung des entwickelten Ansatzes zur Erfassung der Feldbedingungen nachgewiesen. Die Porenwasseruntersuchungen zusammen mit ergänzenden Resuspensionsexperimenten in biogeochemischen Mikrokosmen und sequentieller Extraktion ergaben, dass das am geringsten „belastetste“ Sediment des Untersuchungsgebiets das größte Risiko für die Freisetzung von Metall(oid)en darstellt. Jedoch betrugen die potenziell freigesetzten Mengen je kg Sediment nur wenige Promille der durchschnittlichen täglichen Fracht der Trave.
Rivers play an important role in the global water cycle, support biodiversity and ecological integrity. However, river flow and thermal regimes are heavily altered in dammed rivers. These impacts are being exacerbated and become more apparent in rivers fragmented by multiple dams. Recent studies mainly focused on evaluating the cumulative impact of cascade reservoirs on flow or thermal regimes, but the role of upstream reservoirs in shaping the hydrology and hydrodynamics of downstream reservoirs remains poorly understood. To improve the understanding of the hydrodynamics in cascade reservoirs, long-term observational data are used in combination with numerical modeling to investigate the changes in flow and thermal regime in three cascade reservoirs at the upper reach of the Yangtze River. The three studied reservoirs are Xiluodu (XLD), Xiangjiaba (XJB) and Three Gorges Reservoir (TGR). In addition, the effects of single reservoir operation (at seasonal/daily time scale) on hydrodynamics are examined in a large tributary of TGR. The results show that the inflow of TGR has been substantially altered by the two upstream reservoirs with a higher discharge in spring and winter and a reduced peak flow in summer. XJB had no obvious contribution to the variations in inflow of TGR. The seasonal water temperature of TGR was also widely affected by the upstream two reservoirs, i.e., an increase in winter and decrease in spring, associated with a delay in water temperature rise and fall. These effects will probably be intensified in the coming years due to the construction of new reservoirs. The study also underlines the importance of reservoir operation in shaping the hydrodynamics of TGR. The seasonal dynamics of density currents in a tributary bay of TGR are closely related to seasonal reservoir operations. In addition, high-frequency water level fluctuations and flow velocity variations were observed in response to periodic tributary bay oscillations, which are driven by the diurnal discharge variations caused by the operation of TGR. As another consequence of operation of cascade reservoirs, the changes in TGR inflow weakened spring thermal stratification and caused warming in spring, autumn and winter. In response to this change, the intrusions from TGR occurred more frequently as overflow and earlier in spring, which caused a sharp reduction in biomass and frequency of phytoplankton blooms in tributary bays of TGR. This study suggests that high-frequency bay oscillations can potentially be used as an efficient management strategy for controlling algal blooms, which can be included in future multi-objective ecological conservation strategies.