Dissertation
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Die UN-Behindertenrechtskonvention von 2008 formuliert einen Rechtsanspruch auf inklusive Bildung für Menschen mit Beeinträchtigungen. Diesem wird in Deutschland seit 2009 durch Schulgesetzänderungen Rechnung getragen, mit denen inklusive Bildung durch ein Elternwahlrecht implementiert wird. Bislang ist vor dem Hintergrund der neu geschaffenen elterlichen Entscheidungsmöglichkeiten noch nicht untersucht worden, welche Vorstellungen Eltern von Kindern mit komplexen Beeinträchtigungen mit dem inklusiven Bildungsanspruch ihres Kindes verbinden und in welcher Weise sie diesen an der Schulform ihrer Wahl eingelöst sehen. Im Zentrum der vorliegenden Arbeit steht die Rekonstruktion des Bildungsangebots aus der Perspektive der Eltern im Abgleich mit der Sicht der pädagogischen Klassenteams. Den Fragen nach den elterlichen Erwartungen und Erfahrungen wurde aus der systemtheoretischen Perspektive von Luhmann nachgegangen. In der qualitativ angelegten Untersuchung geht es um Schülerinnen und Schüler mit komplexen Beeinträchtigungen, die nach der Schulgesetznovellierung in Hamburg (2009) in den Jahren 2010 und 2011 eingeschult worden sind und aufgrund der Entscheidung ihrer Eltern in unterschiedlichen Settings an Grund- und Sonderschulen lernen. Die Datenerhebung erfolgte durch leitfadengestützte Interviews mit Eltern, Pädagoginnen und Pädagogen sowie Schulleitungen, ergänzt durch Hospitationen im Schuljahr 2011/12 und Dokumente, die von den Schulen zur Verfügung gestellt wurden. Die Datenanalyse erfolgt mithilfe der Grounded Theory nach Strauß/Corbin (1996). Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen elterliche Bildungserwartungen im Hinblick auf ein Ermöglichen von Autonomie und Teilhabe ihrer Kinder und eine differenzierte Wahrnehmung der Umsetzung ihrer Erwartungen im Schulalltag. Einen besonderen Stellenwert messen Eltern der Zusammenarbeit zwischen Schule und Familie bei, die für das Entstehen von Vertrauen bzw. Misstrauen bedeutsam ist. Aus den Erkenntnissen und deren Rückbindung an die Systemtheorie wurde ein Modell des Professionsvertrauens/-misstrauens entwickelt.
Die Auswertung ergibt Hinweise zu Qualitätskriterien eines inklusiven Bildungsangebots und zu Entwicklungsanforderungen in der Professionalisierung, die sowohl auf die Ebene der Organisation Schule als auch der Interaktion zwischen schulischen Akteurinnen und Akteuren sowie Eltern abzielen.
The formulation of the decoding problem for linear block codes as an integer program (IP) with a rather tight linear programming (LP) relaxation has made a central part of channel coding accessible for the theory and methods of mathematical optimization, especially integer programming, polyhedral combinatorics and also algorithmic graph theory, since the important class of turbo codes exhibits an inherent graphical structure. We present several novel models, algorithms and theoretical results for error-correction decoding based on mathematical optimization. Our contribution includes a partly combinatorial LP decoder for turbo codes, a fast branch-and-cut algorithm for maximum-likelihood (ML) decoding of arbitrary binary linear codes, a theoretical analysis of the LP decoder's performance for 3-dimensional turbo codes, compact IP models for various heuristic algorithms as well as ML decoding in combination with higher-order modulation, and, finally, first steps towards an implementation of the LP decoder in specialized hardware. The scientific contributions are presented in the form of seven revised reprints of papers that appeared in peer-reviewed international journals or conference proceedings. They are accompanied by an extensive introductory part that reviews the basics of mathematical optimization, coding theory, and the previous results on LP decoding that we rely on afterwards.
Klassische Fahrerassistenzsysteme (FAS) wie beispielsweise der Spurassistent oder das weit verbreitete Elektronische Stabilitätsprogramm basieren auf statischen System- und Softwarearchitekturen. Dies bedeutet, dass weder die Anzahl oder Topologie der Steuergeräte noch das Vorhandensein oder die Funktionalität von Softwaremodulen Änderungen zur Laufzeit unterliegen. Es existieren allerdings zukünftige FAS, bei denen solche Veränderungen eintreten können. Hierzu gehören beispielsweise Assistenzsysteme für Fahrzeuge mit Anhänger, da deren Steuergeräte und Softwaremodule über beide Teile des Gespanns verteilt sind. Diese neue Herausforderung kann nicht durch Ansätze, die zum Stand der Technik gehören, bewältigt werden. Stattdessen muss ein neuartiges Verfahren für das Design von solch verteilten Fahrerassistenzsystemen entwickelt werden.
Der zentrale wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit liegt in der Entwicklung einer neuartigen Software- und Systemarchitektur für dynamisch veränderliche FAS am Beispiel der Assistenzsysteme für Fahrzeuge mit Anhänger. Diese Architektur muss in der Lage sein, Veränderungen in der Topologie eigenständig zu erkennen und darauf zu reagieren. Hierbei entscheidet das System, welcher Grad der Assistenz und welche Nutzerschnittstelle nach dem An- oder Abkoppeln eines Anhängers angeboten werden kann. Hierzu werden neben der verfügbaren Software und Hardware die ausführbaren Assistenzfunktionalitäten analysiert und eine entsprechende Re-Konfiguration durchgeführt. Eine solche Systemanpassung kann vorgenommen werden, indem man auf die Prinzipien der Service-orientierten Architektur zurückgreift. Hierbei wird alle vorhandene Funktionalität in abgeschlossene Einheiten, so genannte Services gegossen. Diese Services stellen ihre Funktionalität über klar definierte Schnittstellen zur Verfügung, deren Verhalten durch so genannte Contracts beschrieben wird. Größere Applikationen werden zur Laufzeit durch den Zusammenschluss von mehreren solcher Services gebildet und adaptiert.
Die Arbeit beschreibt die Forschung die geleistet wurde, um die oben genannten Ziele durch den Einsatz von Service-orientierten Architekturen im automotiven Umfeld zu erreichen. Hierbei wird dem hohen Grad an Verteilung, dem Wunsch nach Wiederverwendbarkeit sowie der Heterogenität der einzelnen Komponenten durch den Einsatz der Prinzipien einer SOA begegnet. Weiterhin führt das Service-orientierte System eine automatische Re-Konfiguration im Falle einer Systemänderung durch. Statt eines der vorhandenen SOA Frameworks an die Verhältnisse im automotiven Umfeld anzupassen werden die einzelnen in SOA enthaltenen Prinzipien auf die Problemstellung angepasst. Hierbei entsteht ein eigenständiges Framework namens "Service-oriented Driver Assistance" (SODA) welches die Vorteile einer SOA mit den Anforderungen, bewährten Methoden und Standards vereint. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene SOA Frameworks analysiert und miteinander vergleichen. Außerdem wird das SODA Framework sowie dessen Anpassungen bezüglich automotiver Systeme detailliert beschrieben. Hierzu zählt auch ein Referenzmodell, welches die Begrifflichkeiten und Konzepte einführt und zueinander in Beziehung setzt sowie eine Referenzarchitektur definiert. Einige der Module dieser Referenzarchitektur wie beispielsweise das Re-Konfigurations- und das Kommunikationsmodul werden sehr detailiert in eigenen Kapiteln beschrieben. Um die Kompatibilität des Frameworks sicherzustellen wird die Integration in einen bewährten Entwicklungsprozess sowie in den Architekturstandard AUTOSAR diskutiert. Abschließend wird der Aufbau eines Demonstrators und dessen Evaluation bezüglich der Leistungsfähigkeit und Effizienz des Frameworks beschrieben.
Die pan-amazonische Baumfrosch-Gattung Osteocephalus ist unzureichend bearbeitet sowohl bezüglich ihrer Taxonomie, als auch ihrer Phylogenie. Der Status einer Reihe von Arten, die bereits oder noch nicht zu dieser Gattung gezählt werden, ist unklar und die Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Gattung und zu verwandten Gattungen nicht geklärt. In dieser Arbeit wird O. cabrerai (Cochran and Goin, 1970) aus Kolumbien und Peru nochmals detailliert beschrieben und O. festae (Peracca, 1904) aus einem Anden-Vorgebirge in Ecuador revalidiert. Hyla inframaculata Boulenger, 1882, vom Unterlauf des Amazonas in Brasilien, wird in die Gattung Osteocephalus gestellt und Osteocephalus elkejungingerae (Henle, 1981) vom östlichen Andenrand in Peru wird mit Hyla mimetica (Melin, 1941) als O. mimeticus synonymisiert. Das Taxon Hyla vilarsi Melin, 1941, bisher als Synonym unterschiedlicher Arten betrachtet, wird als valide angesehen und in die Gattung Osteocephalus gestellt. Drei neue Arten werden beschrieben: Osteocephalus castaneicola aus Nord-Bolivien und Süd-Peru, O. duellmani von einer subandinen Bergkette in Süd-Ecuador und O. camufatus aus dem zentralamazonischen Teil Brasiliens. Eine phylogenetische Analyse auf Basis von bis zu neun mitochondrialen und einem Kern-Gen zeigt, dass Osteocephalus bezüglich der Gattung Tepuihyla paraphyletisch ist. Deshalb wird hier eine neue Taxonomie vorgeschlagen, die die Monophylie von Osteocephalus und Tepuihyla sichert. Eine neue Gattung, Dryaderces, wird für die Schwestergruppe von Osteocephalus aufgestellt. Die Färbung frisch metamorphosierter Jungfrösche wird als morphologische Synapomorphie von Osteocephalus angesehen. Fünf monophyletische Artengruppen werden innerhalb der Gattung aufgestellt, drei Arten der Gattung Osteocephalus (O. germani, O. phasmatus, O. vilmae) und drei der Gattung Tepuihyla (T. celsae, T. galani, T. talbergae) synonymisiert, außerdem drei Arten anderen Gattungen zugerechnet (Hyla helenae zu Osteocephalus, O. exophthalmus zu Tepuihyla und O. pearsoni zu Dryaderces gen. n.). Außerdem werden neun potentiell neue Arten identifiziert, was einer Artenzunahme von 138% im Vergleich zur derzeit bekannten Diversität entspräche. Daraus ist zu schließen, dass die tatsächliche Artenzahl weit unterschätzt wird. Unbeschriebene Arten verbergen sich vor allem unter den weit verbreiteten, polymorphen Nominatarten. Die Evolution der Fortpflanzungsstrategien innerhalb der Gattung wird im Licht der neuen Phylogenie diskutiert und ein neuer Amplexustyp (Kehlamplexus) beschrieben.
Animationen können in instruktionalen Kontexten genutzt werden, um Wissen über Sachverhalte zu vermitteln, die Prozesse oder Abläufe beinhalten. So können dynamische Sachverhalte explizit dargestellt werden und müssen nicht vom Lerner selbst in Gedanken hergestellt, sondern nur anhand der Animation nachvollzogen werden. Dies sollte sich positiv auf den Wissenserwerb auswirken. Dabei stellen Animationen mit ihrer besonderen Eigenschaft der Darstellung zeitlicher Abläufe besondere Herausforderungen an den Lerner. Das menschliche Informationsverarbeitungssystem unterliegt bestimmten Begrenzungen im Hinblick auf die Wahrnehmung von Geschwindigkeiten. Zu schnelle und zu langsame Geschwindigkeiten können beispielsweise nur schwer wahrgenommen und dementsprechend auch nicht kognitiv verarbeitet werden. Die Zielsetzung der Arbeit, die sich daraus ergibt, war eine systematische Untersuchung der Wirkung unterschiedlicher Präsentationsgeschwindigkeiten auf das Wahrnehmen und Verstehen eines dynamischen Sachverhaltes anhand einer Animation.
Um die Fragestellungen der Arbeit beantworten zu können, wurden vier experimentelle Studien durchgeführt. Die Pilotstudie hatte das Ziel, sowohl das Lernmaterial als auch den entwickelten Wissenstest zu evaluieren. In Studie 1 wurde der Frage nach dem Einfluss der Präsentationsgeschwindigkeit auf den Wissenserwerb beim Lernen mit einer interaktiven Animation nachgegangen.
Die Studien 2 und 3 untersuchten den Einfluss verschiedener Reihenfolgen von Geschwindigkeiten auf den Wissenserwerb. Hier ging es um eine systematische Erfassung der perzeptuellen und kognitiven Verarbeitung dynamischer Informationen in zwei verschiedenen Geschwindigkeiten mittels Blickbewegungsmessung (Studie 2) und wiederholten Testungen des Wissenserwerbs zwischen den einzelnen Lernphasen (Studie 3).
Die Ergebnisse der Studien deuten darauf hin, dass bei langsamer Geschwindigkeit Wissen über Ereignisse auf untergeordneter zeitlicher Ebene erworben wurde und dass je schneller eine Animation gesehen wurde, umso mehr anteiliges Wissen auf einer übergeordneten zeitlichen Ebene erworben wurde (Studie 1), aber eindeutige Aussagen über den Einfluss der Geschwindigkeit auf den Wissenserwerb auf verschiedenen zeitlichen Hierarchieebenen lassen sich aufgrund der Ergebnisse der Studien nicht machen. Im Hinblick auf die Lernförderlichkeit verschiedener Arten der Sequenzierung von Geschwindigkeiten zeigten sich auch keine eindeutigen Ergebnisse. Aufgrund der Analyse der Blickbewegungsdaten deutet sich jedoch an, dass die Reihenfolge "langsam - schnell" den Bedingungen auf Seiten der Lerner eher entgegen kommt als die Reihenfolge "schnell - langsam".
Die vorliegende Arbeit betrachtet den Einfluss von Wald- und Wirtschaftswegen auf Abflussentstehung und Bodenerosionsraten innerhalb eines bewaldeten Einzugsgebiets im Naturschutzgebiet Laacher See. Hierfür wurden sowohl bestehende Erosions- und Akkumulationsformen im Gelände kartiert, als auch Erosionssimulationen mittels einer Kleinberegnungsanlage durchgeführt. Zuletzt erfolgte eine Modellierung des Erosionspotentials auf Grundlage der Simulationsergebnisse.
Die Analyse bestehender Erosions- und Akkumulationsformen im Gelände gab einen Hinweis auf Bodenerosionsraten von Wegoberflächen, die zwischen 27,3 und 93,5 t ha-1 a-1 und somit in derselben Größenordnung wie Erosionsraten unter intensiver ackerbaulicher Nutzung lagen.
Die Simulationsläufe zeigten, dass persistente Waldwege ein deutlich verändertes Infiltrationsverhalten aufwiesen. Auf natürlichen Waldböden lag der Anteil des infiltrierten Niederschlags bei durchschnittlich 96%. Im Falle von Waldwegen nahm dieser Anteil im Mittel auf 14% bis 7% ab. Besonders auffällig waren die Ergebnisse auf Rückegassen, auf denen ein erheblicher Einfluss der Bodenverdichtung durch Befahrung nachgewiesen werden konnte. Hier sank der Anteil des infiltrierten Niederschlags auf 31% in den Fahrspuren, zwischen den Spuren wurden noch 76 % infiltriert.
Während der Simulationsläufe konnten maximale Sedimentmengen von 446 g m-2 erodiert werden, was einer mittleren Bodenerosionsrate von 4,96 g m-2 min-1 entspricht. Diese hohen Abtragsraten wurden auf persistenten Wegen mit geringer Befestigung gemessen. Rückegassen wiesen die geringsten Abtragswerte auf, maximal konnten 37 g m-2 erodiert werden, gleichbedeutend mit einer Abtragsrate von 0,41 g m-2 min-1. Die erodierten Sedimentmengen betrugen im Mittel bei Wegen 167 bis 319 g m-2 und im Falle von Rückegassen 17 g m-2. Anhand von Vergleichsmessungen auf Waldstandorten, bei denen ein mittlerer Bodenabtrag von ca. 5 g m-2 festgestellt wurde, konnte eine erhöhte Erodierbarkeit für jedwede Form der Weganlage bestätigt werden.
Auf Basis der im Gelände gemessenen Abtragsraten wurden die Modellierungen kalibriert. Die Ergebnisse der ABAG / DIN 19708 zeigten für das betrachtete Untersuchungsgebiet eine mittlere jährliche Bodenerosionsgefährdung von 2,4 - 5,8 t ha-1 a-1 für persistente Wege und von 0,5 t ha-1 a-1 für Rückegassen. Im Vergleich zum Mittelwert weitgehend unbeeinflusster Waldflächen im Untersuchungsgebiet von 0,1 t ha-1 a-1 zeigte sich abermals ein erhöhtes Abtragspotential. Die physikalisch basierte Modellierung der Beregnungsversuche mittels WEPP zeigte ein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Einschätzung des Abflussverhaltens, so wurden für persistente Wege nur Abweichungen von maximal -5% festgestellt. Die Abflussmodellierung auf Rückegassen sowie die generelle Modellierung der Bodenerosion während der Beregnungsversuche zeigte sich im Kontrast hierzu noch fehlerbehaftet, was ursächlich mit der für ein physikalisches Modell relativ geringen Eingangsdatentiefe zu begründen ist.
Es wurde nachgewiesen, dass Waldwege einen bedeutenden Einfluss auf den Wasserhaushalt und das Bodenerosionsgeschehen haben. Der Rückhalt von Niederschlägen wird gemindert und es kommt zu intensivierten Bodenerosionsprozessen. Schlecht befestigte Wege zeigten einen stark erhöhten Bodenabtrag, der zu ökologischen Folgeschäden führen kann. Der Abtrag kann ebenso zu einer Beeinträchtigung der Befahrbarkeit führen. Anhand der Folgen lässt sich die Relevanz der Betrachtung von Abfluss- und Bodenerosionsprozessen auf Wald- und Wirtschaftswegen deutlich machen. Die vorliegende Arbeit stellt die erste Studie dar, innerhalb derer Abfluss- und Bodenerosionspozesse für Walderschließungsnetzwerke in Mitteleuropa untersucht wurden.
Die vorliegende Dissertation widmet sich dem Phänomen des Erlebens der Rezeption von audiovisuellen narrativen unterhaltenden Medieninhalten. Dieses wird zunächst in die Rezeptions- und Wirkungsforschung eingeordnet und für das weitere Vorgehen konkretisiert: Transportation und Narrative Engagement stellen aktuell die beiden wichtigsten Konzepte der Medienpsychologie bezüglich der Nutzung und Wirkung von Geschichten dar.
Anschließend werden drei Fragestellungen bearbeitet. Bisher standen Forscher und Forscherinnen vor dem Problem der Manipulation des Rezeptionserlebens. Daher wurden in der vorliegenden Arbeit zwei Verfahren vorgeschlagen und in vier experimentellen Studien geprüft. Der Einsatz von Rezensionen erwies sich als geeignet, um bei allen narrativen unterhaltenden Texten das Rezeptionserleben ökonomisch zu manipulieren. Weiterhin gibt es bislang kein etabliertes Verfahren zur rezeptionsbegleitenden Messung des Rezeptionserlebens.
In dieser Arbeit wurde ein Verfahren aus einer Kombination von Real Time Response Measurement (RTR), Secondary Task Reaction Times (STRT) und der Erhebung der Lidschlagfrequenz entwickelt. Vor allem RTR war in der Lage, die im Zusammenhang mit dem Rezeptionserleben auftretenden emotionalen Prozesse zu erfassen. Die Befürchtung, die rezeptionsbegleitenden Messmethoden könnten das Rezeptionserleben verhindern, wurde in einer weiteren experimentellen Studie größtenteils entkräftet. Zuletzt wurde der Prozess des Zusammenfassens des Rezeptionserlebens in ein postrezeptives Urteil thematisiert. Nach der Entwicklung eines Rahmenmodells der Beantwortung postrezeptiver Skalen wurde in einer weiteren Studie die Bedeutung verschiedener Verlaufsparameter für das postrezeptive Urteil untersucht. Vier ausgesuchte Parameter zusammen können das postrezeptive Urteil besser erklären als der Verlaufs-Mittelwert. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion, in der unter anderem die dynamische und die postrezeptive Messung des Rezeptionserlebens aufeinanderrnbezogen werden und hinsichtlich ihrer Bedeutung kritische Würdigung erfahren.
Synthetische Nanopartikel sind neuartige Schadstoffe. Aufgrund ihrer häufigeren Anwendung wird sich ihre Konzentration in der Umwelt in Zukunft voraussichtlich stark erhöhen. Die Untersuchung des Schicksals von synthetischen Kolloiden in der Umwelt erweist sich als schwierig, bedingt durch deren mögliche komplexe Wechselwirkungen mit den Bestandteilen aquatischer Systeme. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Lösungschemie. Insbesondere die Wechselwirkungen mit gelösten organischen Stoffen (DOM) sind bisher wenig verstanden.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, angepasste analytische Methoden zu entwickeln, um die Effekte von DOM auf das Schicksal synthetische Kolloide in der Umwelt zu untersuchen.rnEine Literaturrecherche über die Wechselwirkungen den DOM mit anorganischen Kolloiden hat ergeben, dass es einen Mangel an systematischen Charakterisierungen von Kolloiden und DOM in den meisten Studien gibt, obwohl diese wesentlich wäre. Des Weiteren wäre die Erforschung der Fraktionierung von DOM auf Kolloiden bedeutend sowie die Untersuchungen der Effekte von DOM auf die dynamische Struktur von Agglomeraten. Für die Charakterisierung von niedrigkonzentrierten Agglomeraten in Umweltmedien werden passende analytische Techniken benötigt. Solche Techniken müssen genau, spezifisch, artefaktfrei (minimale Probenvorbereitung) und matrixunabhängig bei niedrigen Konzentrationen sein. Keine der üblichen Methoden (Mikroskopie, Lichtstreuungsmethode, Trenntechnicken) erfüllt alle diese Voraussetzungen. Jedoch stellt die Hydrodynamische Chromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (HDC-ICP-MS) einen vielversprechenden Kompromiss dar. Mit dieser Methode kann die Größe von anorganischen Partikeln in komplexen Medien und in Konzentrationsbereichen unter ppb elementspezifisch gemessen werden. Allerdings wurden die Begrenzungen der Methode nicht systematisch untersucht.
Während dieser Doktorarbeit wurde das Potenzial dieser Methode weiter untersucht. Der einfache Trennmechanismus ermöglicht einen großen Spielraum für die Elutionsparameter und eine universelle Kalibrierung kann für Partikel mit unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlicher Oberflächenchemie angewendet werden. Eine schwache Auflösung der Partikelgröße sowie die Effekte der Partikelform auf den Retentionsfaktor stellen die wichtigsten Begrenzungen der Methode dar.rnDie Anwendung von HDC gekoppelt mit Einzelpartikel ICP-MS (HDC-SP-ICP-MS) bietet neue Möglichkeiten für die Partikelformerkennung und die Differenzierung zwischen primären Partikeln und Homoagglomeraten. Diese Kopplungstechnik ist deswegen hochattraktiv, um Effekte von DOM auf der Stabilität von Kolloiden zu untersuchen. Die Vielseitigkeit der HDC-ICP-MS konnte durch verschiedene erfolgreiche Anwendungen hervorgehoben werden. Insbesondere wurde sie genutzt, um die Stabilität von zitrat-stabilisierte Silberkolloiden in synthetischem Flusswasser unter Anwesenheit verschiedener Typen DOM zu untersuchen. Diese Partikel waren mehr als eine Stunde stabil unabhängig von pH und vom Typ der DOM. Dieses Ergebnis deckt sich mit den Ergebnissen einer parallel publizierten Studie über die Stabilität von Silberkolloiden in Rheinwasser. Die direkte Untersuchung von DOM-Adsorption auf Kolloiden war mit UV- und Fluoreszenzdetektoren nicht möglich. Vorversuche wiesen darauf hin, dass die fluoreszierenden Huminsaüremoleküle auf Silberkolloiden nicht adsorbieren. Lösungen für die verbleibenden Schwierigkeiten in der Analyse der Wechselwirkungen der DOM werden vorgeschlagen und die vielfältigen Entwicklungs- und Anwendungserspektiven von HDC-(SP)-ICP-MS in den Umweltwissenschaften werden im Detail diskutiert.
The intention of this thesis was to characterise the effect of naturally occurring multivalent cations like Calcium and Aluminium on the structure of Soil Organic Matter (SOM) as well as on the sorption behaviour of SOM for heavy metals such as lead.
The first part of this thesis describes the results of experiments in which the Al and Ca cation content was changed for various samples originated from soils and peats of different regions in Germany. The second part focusses on SOM-metal cation precipitates to study rigidity in dependence of the cation content. In the third part the effects of various cation contents in SOM on the binding strength of Pb cations were characterised by using a cation exchange resin as desorption method.
It was found for soil and peat samples as well as precipitates that matrix rigidity was affected by both type and content of cation. The influence of Ca on rigidity was less pronounced than the influence of Al and of Pb used in the precipitation experiments. For each sample one cation content was identified where matrix rigidity was most pronounced. This specific cation content is below the cation saturation as expected by cation exchange capacity. These findings resulted in a model describing the relation between cation type, content and the degree of networking in SOM. For all treated soil and precipitate samples a step transition like glass transition was observed, determined by the step transition temperature T*. It is known from literature that this type of step transition is due to bridges between water molecules and organic functional groups in SOM. In contrast to the glass transition temperature this thermal event is slowly reversing after days or weeks depending on the re-conformation of the water molecules. Therefore, changes of T* with different cation compositions in the samples are explained by the formation of water-molecule-cation bridges between SOM-functional groups. No influence on desorption kinetics of lead for different cation compositions in soil samples was observed. Therefore it can be assumed that the observed changes of matrix rigidity are highly reversible by changing the water status, pH or putting agitation energy by shaking in there.
The increasing, anthropogenic demand for chemicals has created large environmental problems with repercussions for the health of the environment, especially aquatic ecosystems. As a result, the awareness of the public and decision makers on the risks from chemical pollution has increased over the past half-century, prompting a large number of studies in the field of ecological toxicology (ecotoxicology). However, the majority of ecotoxicological studies are laboratory based, and the few studies extrapolating toxicological effects in the field are limited to local and regional levels. Chemical risk assessment on large spatial scales remains largely unexplored, and therefore, the potential large-scale effects of chemicals may be overlooked.
To answer ecotoxicological questions, multidisciplinary approaches that transcend classical chemical and toxicological concepts are required. For instance, the current models for toxicity predictions - which are mainly based on the prediction of toxicity for a single compound and species - can be expanded to simultaneously predict the toxicity for different species and compounds. This can be done by integrating chemical concepts such as the physicochemical properties of the compounds with evolutionary concepts such as the similarity of species. This thesis introduces new, multidisciplinary tools for chemical risk assessments, and presents for the first time a chemical risk assessment on the continental scale.
After a brief introduction of the main concepts and objectives of the studies, this thesis starts by presenting a new method for assessing the physiological sensitivity of macroinvertebrate species to heavy metals (Chapter 2). To compare the sensitivity of species to different heavy metals, toxicity data were standardized to account for the different laboratory conditions. These rankings were not significantly different for different heavy metals, allowing the aggregation of physiological sensitivity into a single ranking.
Furthermore, the toxicological data for macroinvertebrates were used as input data to develop and validate prediction models for heavy metal toxicity, which are currently lacking for a wide array of species (Chapter 3). Apart from the toxicity data, the phylogenetic information of species (evolutionary relationships among species) and the physicochemical parameters for heavy metals were used. The constructed models had a good explanatory power for the acute sensitivity of species to heavy metals with the majority of the explained variance attributed to phylogeny. Therefore, the integration of evolutionary concepts (relatedness and similarity of species) with the chemical parameters used in ecotoxicology improved prediction models for species lacking experimental toxicity data. The ultimate goal of the prediction models developed in this thesis is to provide accurate predictions of toxicity for a wide range of species and chemicals, which is a crucial prerequisite for conducting chemical risk assessment.
The latter was conducted for the first time on the continental scale (Chapter 4), by making use of a dataset of 4,000 sites distributed throughout 27 European countries and 91 respective river basins. Organic chemicals were likely to exert acute risks for one in seven sites analyzed, while chronic risk was prominent for almost half of the sites. The calculated risks are potentially underestimated by the limited number of chemicals that are routinely analyzed in monitoring programmes, and a series of other uncertainties related with the limit of quantification, the presence of mixtures, or the potential for sublethal effects not covered by direct toxicity.
Furthermore, chemical risk was related to agricultural and urban areas in the upstream catchments. The analysis of ecological data indicated chemical impacts on the ecological status of the river systems; however, it is difficult to discriminate the effects of chemical pollution from other stressors that river systems are exposed to. To test the hypothesis of multiple stressors, and investigate the relative importance of organic toxicants, a dataset for German streams is used in chapter 5. In that study, the risk from abiotic (habitat degradation, organic chemicals, and nutrients enrichment) and biotic stressors (invasive species) was investigated. The results indicated that more than one stressor influenced almost all sites. Stream size and ecoregions influenced the distribution of risks, e.g., the risks for habitat degradation, organic chemicals and invasive species increased with the stream size; whereas organic chemicals and nutrients were more likely to influence lowland streams. In order to successfully mitigate the effects of pollutants in river systems, co-occurrence of stressors has to be considered. Overall, to successfully apply integrated water management strategies, a framework involving multiple environmental stressors on large spatial scales is necessary. Furthermore, to properly address the current research needs in ecotoxicology, a multidisciplinary approach is necessary which integrates fields such as, toxicology, ecology, chemistry and evolutionary biology.