Fachbereich 6
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Extracellular enzymes in microbial communities play a central role in nutrient cycling and the degradation of (pollutant) substances in various natural and anthropogenic systems. Bound in aquatic biofilms, sludge aggregates, or even unbound at their interfaces, they are of great importance for both the environment and human health. In particular, in wastewater treatment plants and inland waters, hydrolytic activities influence the wide-reaching efficiency of nutrient removal and self-purification, thus contributing significantly to overall water quality.
The main goal of this dissertation project was to investigate the factors that influence enzymatic activity and the health of microbial communities in activated sludge and river systems, particularly in relation to anthropogenic influences and natural environmental conditions. The aim was to contribute to a better understanding of the sensitivity of our freshwater ecosystems and to support the long-term preservation of water quality and ecological stability. The development and optimization of appropriate methods, as well as their testing and applicability, were the focal points.
For this purpose, a fluorometric microplate assay was developed and adapted to determine both extracellular enzyme activities (EEAs) in activated sludge samples and in intact biofilms. Its suitability for field studies was subsequently tested. Inhibition and activity of selected hydrolases under different conditions were investigated to better understand the mechanisms and potential environmental risks posed by anthropogenic influences and seasonal fluctuations of hydrochemical and climatic parameters.
The first phase of the doctoral thesis involved studies on the inhibition of alkaline phosphatase in activated sludge by oxyanions. Using the fluorometric microplate assay, the inhibitory effect was sensitively detected over a pH range of 7.0 to 8.5. IC50- and IC20-concentrations were calculated from modeled dose-response functions. It was found that vanadate and tungstate caused strong inhibitory effects, while molybdate moderately inhibited the enzyme. An increasing pH led to a reduction in the inhibitory effect of tungstate and molybdate. The inhibition effects of vanadate were not significantly affected by the pH. In municipal wastewater, the concentrations of such metal ions are usually low, but industrial wastewater may have pollutant loads that can significantly impact the removal of phosphorus-containing compounds, and thus the efficiency of treatment plants.
In the second phase, an attempt was made to further adapt the developed methodology to investigate EEA and kinetics in intact freshwater biofilms. Four different types of bead materials (lava, glass, sintered quartz, and ceramics) fitting into a 96-well microplate were tested as carriers for biofilms on both the laboratory and field scale. The analysis included a total of seven hydrolases as representatives of key nutrient cycles such as phosphorus, carbon, and nitrogen: phosphatases, glucosidases, peptidases (two different types), and sulfatase. Experiments with increasing substrate concentrations led to classical kinetic profiles according to the Michaelis-Menten mechanism. This allowed for the prediction of the biofilm enzymes’ response to different substrate concentrations. Parameters such as Vmax and Km could be derived from the modeled curves.
Ceramic beads are particularly suitable for long-term studies due to their high stability, while sintered quartz beads should be preferred for the use in stagnant media (material loss under turbulent conditions). Lava and glass beads, on the other and, proved suboptimal for uniform biofilm development due to their surface properties. The potential use of this fast and sensitive test for ecotoxicological or even human-toxicological studies was demonstrated by the effects of caffeine on the activity of PDE. The result of this part of the research represents a powerful tool for assessing environmental pollution and monitoring water quality.
The high application potential was clearly highlighted in the final phase of the project. The goal here was to deepen the understanding of interactions between seasonal factors, anthropogenic influences, and biofilm processes in rivers by investigating EEA and biofilm parameters such as biomass and relating them to hydrochemical and climatic factors. Ceramic beads were exposed both upstream and downstream of a wastewater treatment plant discharge and sampled over a period of seven months. EEAs and biomass varied depending on the season and location, with higher microbial activity observed upstream in winter. Winter conditions led to the dilution of most nutrients as well as in an increse of dissolved oxygen. Nutrient concentrations analyzed downstream were significantly higher in the summer. Accumulation of nutrient or pollutants during the summer months cannot be excluded, which may have led to a general reduction in enzyme activities.
Potential causes could be inhibitory effects on the enzymes, or a reduced enzyme activity due to a sufficiently high nutrient supply. In general, the sampling site upstream showed a more pronounced seasonal dynamics, with a significant proportion of the variance in biological parameters (activity and biomass) attributable to seasonal factors. A secondary component, likely reflecting the impact of the treatment plant discharge, explained another portion of the data variance. Regardless of the season, high correlations between biological parameters were observed upstream, while downstream the data were more decorrelated. This could be because the biofilms, under chronic stress, respond less dynamically to seasonal fluctuations.
This dissertation illustrates that in addition to anthropogenic stress factors, seasonal fluctuations of hydrochemical and climatic parameters should also be considered in "stress downstream the pipe" studies. The selected methods are recommended for explaining and considering the data variance, as they highlight the complex interplay between microbial enzymatic activity, environmental factors, and pollutants in the activated sludge of wastewater treatment plants and also in aquatic systems. The novel bead assay could pave the way for the future standardization of effect-oriented studies on intact aquatic biofilms.
Modellierung von o-PO4- Einträgen in saarländische Oberflächenwasserkörper im Trockenwetterfall
(2025)
Die Verfügbarkeit von ortho-Phosphat (o-PO₄) trägt wesentlich zur Eutrophierung von Fließgewässern bei und gefährdet damit das Erreichen des „guten ökologischen Zustands“ gemäß der EU-Wasserrahmenrichtlinie. Da die kommunalen Kläranlagen zentrale Eintragsquellen darstellen, gewinnt die Reduktion von o-PO₄ an dieser Stelle an Bedeutung. Neben der chemischen Phosphorelimination bietet insbesondere die vierte Reinigungsstufe, primär zur Entfernung von Mikroschadstoffen konzipiert, einen Synergieeffekt mit potenziellen Phosphorentfernungsraten von bis zu 85 %.
Zur Bewertung des Einflusses einer solchen Reinigungsstufe wurde ein Modell für ausgewählte saarländische Oberflächenwasserkörper (OWK) entwickelt, das den Trockenwetterfall als eutrophierungsrelevantes Szenario abbildet. Ein zentraler Bestandteil ist ein neu erarbeiteter Retentionsansatz, der biochemische und physikalische Prozesse wie Adsorption, Sedimentation und biologische Assimilation berücksichtigt. Auf Basis der Differenz zwischen emissionsseitig bilanziertem und gemessenem o-PO₄-Gehalt wurden für jeden OWK Verminderungsraten je Fließmeter abgeleitet und schließlich eine Gleichung zur Abschätzung der Retention in Abhängigkeit der Einzugsgebietsgröße formuliert. Die Validierung zeigt hinreichende Modellgenauigkeit, wenngleich negative Frachtdifferenzen in einigen Gewässern auf zusätzliche, nicht eindeutig quantifizierbare Einträge – etwa aus Landwirtschaft oder Kanalverlusten – hindeuten.
Die Szenarienanalyse belegt, dass eine vierte Reinigungsstufe grundsätzlich zur Reduktion von o-PO₄ an den Messstellen beiträgt. Eine Unterschreitung des geltenden Orientierungswertes wird jedoch nur erreicht, wenn sämtliche Kläranlagen eines OWK nachgerüstet werden – und auch dann nur in einigen Fällen. Damit stellt die vierte Reinigungsstufe allein keine ausreichende Alternative zu den Maßnahmen des 3. Bewirtschaftungsplans des Saarlandes dar, kann jedoch als ergänzende Strategie zur Verringerung der Phosphoreinträge dienen.
Present-day air quality is known through dense monitoring and extensive pollu-
tion control mechanisms. In contrast, knowledge of historical pollution,
particularly before the industrial revolution, is accessible only through occasional
reports of singular local events and through natural archives such as ice or
sediment cores that record global-scale pollution. However, the regular local to
regional pollution that most affects human life is hardly known. Historical
sciences have argued both for and against significant air pollution in and around
historic cities and manufacturing sites. For the Roman era, it has been
hypothesized that air quality played a role in several patterns of action of the period.
However, to the author's knowledge, there are no quantitative studies of
Roman emissions. Using the results of modern experimental archaeology, this
study attempts to quantify the emissions from Roman pottery kilns and their
impact on surrounding human settlements. It is shown that although the
pollution did not reach today's limits, it must have approached levels known to cause
adverse health effects. A series of additional test simulations have been
conducted to determine how these first results might be improved in the future.
Biodiversity is threatened by a wide range of anthropogenic activities. Monitoring offers critical insights into how and why biodiversity is changing, helping to identify effective measures for maintaining biodiversity and its ecosystem services. However, conventional biodiversity monitoring methods are labor-intensive, and standardized long-term monitoring series are scarce. DNA-based approaches like metabarcoding environmental DNA (eDNA) promise rapid, cost-efficient, and highly resolved community data. At the same time, scientists are looking for alternative data sources that can compensate for the lack of long-term monitoring data to study past biodiversity changes. This work explores the potential of the German Environmental Specimen Bank (ESB), a pollution monitoring archive, which appears particularly promising for retrospective biodiversity monitoring. Biota samples from different ecosystems across the country are collected and archived at an exceptional level of standardization. Sampling species act as natural eDNA samplers, accumulating genetic traces from surrounding organisms. The cryogenic storage at the ESB preserves any eDNA in the samples in its original state. In this thesis, Chapter I serves as an introductory chapter, outlining the general chances and challenges of metabarcoding for assessing biodiversity. Chapter II focuses on primer design and testing the utility of ESB sampling species like mussels and macroalgae for characterizing the surrounding community. Both chapters form the basis for Chapters III to V, which report the use of ESB time series to uncover sample-associated communities and the changes they undergo. Chapter III illustrates the value of these time series by revealing the invasion trajectory of an alien barnacle into German coastal waters and linking the process to climate change. Chapter IV forms the core of this thesis by presenting an expanded measurement of biodiversity change in ESB time series across different taxonomic groups and ecosystem types. Here, a gradual compositional change (turnover) is reported from bacterial, fungal, microeukaryotic, and metazoan communities tending to either spatial homogenization or differentiation. Observed trends are tested for significance using a dynamic model of community ecology based on the equilibrium theory of island biogeography. The model reveals significantly accelerated turnover rates across all taxonomic groups and ecosystems investigated, suggesting a common, anthropogenically induced driver of biodiversity change. Since these analyses most likely include DNA derived from dead as well as from living organisms, Chapter V aims to separate both groups by metabarcoding both DNA and less stable ribosomal RNA from mussel samples. Contrary to the hypothesis, RNA is detectable from both living endobionts and dietary taxa. However, it outcompetes DNA in detecting microeukaryotic biodiversity. In summary, this thesis demonstrates the outstanding potential of archived ESB samples for retrospective biodiversity monitoring, a resource that offers many further untapped opportunities for future biodiversity research at multiple scales.
Biotic communities experienced significant changes in recent decades. Climate change, the overexploitation of natural resources and the immigration of invasive species are major drivers for this change and present unknown challenges for communities worldwide. To assess the impact of these drivers, standardised long-term studies are required, which are currently lacking for many species and ecosystems. Analysing environmental samples and the DNA of associated organisms using metabarcoding and high-throughput sequencing provides a cost-efficient and rapid way to generate the high-resolution biodiversity data which is so direly needed.
In this thesis, I demonstrate the great potential of using samples from the German Environ- mental Specimen Bank (ESB), a long-term monitoring archive that has been collecting and cryogenically storing highly standardised environmental samples since 1985. Modern analytical methods enable retrospective long-term biodiversity monitoring using these samples. In the first chapter, I illustrate metabarcoding as a central method, discussing its strengths and drawbacks, how to avoid them, and new application approaches. This chapter provides the methodological basis for the following studies.
In subsequent chapters, I present time series analyses of communities associated with these environmental samples. While for Chapter two the focus is on terrestrial arthropod communities, in Chapter three aquatic and terrestrial communities across the tree of life are analysed. A null model was developed for this survey for robust conclusions. The studies covered the last three decades and revealed substantial compositional changes across all ecosystems. These changes deviated significantly from the model, indicating that the changes are occurring faster than expected. Moreover, a trend toward homogenization in many terrestrial communities was uncovered. Climate change and the immigration of invasive species in combination with the loss of site-specific species are suspected to be the main drivers for this. In a follow-up study, changes of arthropod communities in German and South Korean terrestrial ecosystems were compared using ESB leaf samples from these two countries. Since both ESBs are harmonised in sample collection and processing, comparative analyses were applicable. This research covered the last decade and revealed substantial declines in species richness in Korea. Abiotic and biotic factors are discussed as potential drivers of these results.
Finally, the possibility of assessing tree health by analysing changes in functional fungal groups using German ESB samples was investigated. The results indicate that increasing infestation of specific functional groups is a proxy for declining tree health, with further analyses planned. In this dissertation, I present the great potential of samples from long-term monitoring archives to conduct retrospective biodiversity trend analyses across the tree of life. As technologies evolve, these samples will help to understand past and predict future ecosystem changes.
In den letzten Jahren hat die Nutzung von Drohnen deutlich zugenommen. Dies liegt unter anderem an der Leistungssteigerung, der guten Verfügbarkeit und an dem einfachen Einsatz von Drohnen. Damit sind auch Anwendungen in der Forschung möglich geworden, die zuvor unmöglich oder mit hohen Kosten verbunden waren. Als Sensor zur Datenaufzeichnung findet im Bereich der Forschung häufig eine Kamera Verwendung. Zusammen mit einer Drohne können Bereiche einfach und kostengünstig überflogen und dabei erkundet, beobachtet oder überwacht werden. Neben der Kamera als Sensor werden auch häufig Multispektralkameras und Lidar eingesetzt. Dagegen findet Radar im Bereich von kleinen Drohnen kaum Anwendung. Ziel dieser Forschungsarbeit war es zu untersuchen, ob neuste Radartechnik einen Mehrwert in der Fernerkundung mit kleinen Drohnen bieten kann.
Hierfür wurden moderne Radarsensoren aus dem Automobilbereich ausgewählt. Als Drohnen wurden sowohl Quadrocopter als auch eine Starrflügler-Drohne eingesetzt. Für die Analyse, Berechnung und Auswertung der Daten wurde MATLAB verwendet. Der erste Ansatz beruhte auf einer Starrflügler-Drohne, die sich durch ihren freien Zugriff auf die Steuerung auszeichnet. Dadurch können auch spezielle Anforderungen an die Flugregelung berücksichtigt werden. Allerdings können mit einer Starrflügler-Drohne keine langsamen oder sogar statische Luftaufnahmen erstellt werden, um Erfahrung mit den Radardaten zu erlangen. Aus diesem Grund wurde anschließend ein Radar-Messsystem entworfen, das unabhängig von der Drohne eingesetzt werden kann. Zusammen mit einem Quadrocopter konnten so statische Radarmessungen durchgeführt werden, um die Verwendbarkeit der Radardaten in der Fernerkundung zu bestätigen. Das Messsystem konnte so aber nur für 2-dimensionale Anwendungen eingesetzt werden. In der weiteren Forschungsarbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, mit einem Radarsensor der nur in 2-dimensionen misst eine 3-dimensionale Aufzeichnungen zu erstellen. Als Versuchsobjekt wurde eine Hütte gewählt, die Anhand der Radardaten dargestellt werden sollte. Dafür wurde ein Prozess zur Datenverarbeitung mit elf Schritten entworfen, womit die Hütte auf 0,6 Meter genau rekonstruiert werden konnte. Im letzten Teil der Forschungsarbeit wurde untersucht, ob sich die Genauigkeit des Messsystems erhöhen lässt, um noch mehr Anwendungsfälle bedienen zu können. Dafür wurde ein neuer Radarsensor eingesetzt, der eine höhere Genauigkeit besitzt. Die Forschungsarbeit konzentrierte sich darauf, die Abhängigkeit der Radardaten zum ungenauen Lagesensor aufzulösen. Dabei wurde die Fluglage über die Radardaten selbst berechnet, womit die Fluglage genauer bestimmt werden kann als allein über den Lagesensor. Erst damit kann die höhere Genauigkeit des neuen Radarsensors auch tatsächlich ausgenutzt werden.
Mit den Ergebnissen der Forschungsarbeit sowie den vorgestellten Radarsensoren, stehen der Fernerkundung mit kleinen Drohnen, neben den klassischen Sensoren, zukünftig auch Radarsensoren zur Verfügung. Mit dem Messsystem und den Erkenntnissen aus der Forschungsarbeit werden bereits erste spezifische Anwendungen in Forschungsprojekten untersucht. Darüber hinaus konnten auch Anwendungsfälle außerhalb der Fernerkundung identifiziert werden. Die Weiterentwicklung im Bereich des autonomen Fahrens wird für Leistungssteigerungen bei Radarsensoren sorgen. Damit stehen auch der Fernerkundung zukünftig noch bessere Radarsensoren zur Verfügung.
Immer wieder tauchen Fragen nach dem Stüve-Diagramm und seiner Benutzung auf. Es gibt zwar neben der Vorlesung “Einführung in die Meteorologie” auch erklärende Darstellungen in den empfohlenen Lehrbüchern und im Internet. Diese scheinen aber offenbar nicht zufriedenstellend zu sein. Deshalb habe ich nachfolgend versucht, die Antworten auf die häufigsten Fragen in Form einer Anleitung zusammen zu fassen. Ich danke em. Prof. Dr. Alfred Helbig, der im Rahmen seiner früheren Tätigkeit im operationellen Dienst umfangreiche praktische Erfahrung mit Radiosonden-Aufstiegen erworben hat, sowie Dr. Micha Gryschka (Institut für Meteorologie und Klimatologie, Leibniz Universität Hannover) für die hilfreichen Kommentare zum Manuskript.
Der Arbeits- und Fachkräftemangel ist ein breit diskutiertes Thema in Deutschland. Auch im Landkreis Bernkas-tel-Wittlich hat diese Herausforderung in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ziel dieses Forschungsberichtes ist es deshalb erstens einen Überblick über die Arbeits- und Fachkräftesituation im Land-kreis zu bieten. Aufbauend auf diese Forschungsergebnisse werden zweitens Handlungsfelder benannt, die ei-nen Rahmen zur Stärkung des Landkreises als produktiven Wirtschaftsstandort und attraktiven Arbeitsort geben sollen.
Der Trierer Wohnungsmarkt ist in den vergangenen Jahren durch steigende Mieten gekennzeichnet. Dies führt zu Herausforderungen für die Bevölkerung, insbesondere für einkommensschwächere Haushalte. In diesem Atlas zeigen wir diese Entwicklung der Angebotsmieten auf und verdeutlichen, dass der Mietwohnungsmarkt in Teilmärkte segmentiert ist. Angesichts der Preissteigerungen über alle Segmente hinweg ist es notwendig, dass die Diskussion um bezahlbaren Wohnraum und gezielte stadtpolitische Maßnahmen stärker in den Fokus rückt, um langfristig eine soziale Stadtentwicklung Triers zu gewährleisten. Mit diesem Atlas wollen wir daher stadtpolitisch Aktiven und anderen Interessierten Materialien an die Hand geben, um die Wohnungspolitik der Stadt einordnen zu können.
In dieser Dissertation wird der Workflow der Erstellung einer Augmented Reality App für das Projekt „ARmob” auf Androidgeräten beschrieben. Diese App positioniert durch SfM-Technik erstellte, nach dem neuesten Stand der Forschung rekonstruierte 3D-Objekte an ihren ursprünglichen Standort in der Realität. Die virtuellen Objekte werden jeweils vom Standpunkt und Blickwinkel des Betrachters passend in die reale Welt eingeblendet, so dass der Eindruck entsteht, die Objekte seien Teil der Realität. Die lagegenaue Darstellung ist abhängig von der Satellitenerreichbarkeit der GNSS und der Genauigkeit der weiteren Sensoren. Die App soll als Grundlage und Framework für weitere Apps zur Erforschung der Raumwahrnehmung im Bereich der Kartographie dienen.