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Wasserbezogene regulierende und versorgende Ökosystemdienstleistungen (ÖSDL) wurden im Hinblick auf das Abflussregime und die Grundwasserneubildung im Biosphärenreservat Pfälzerwald im Südwesten Deutschlands anhand hydrologischer Modellierung unter Verwendung des Soil and Water Assessment Tool (SWAT+) untersucht. Dabei wurde ein holistischer Ansatz verfolgt, wonach den ÖSDL Indikatoren für funktionale und strukturelle ökologische Prozesse zugeordnet werden. Potenzielle Risikofaktoren für die Verschlechterung von wasserbedingten ÖSDL des Waldes, wie Bodenverdichtung durch Befahren mit schweren Maschinen im Zuge von Holzerntearbeiten, Schadflächen mit Verjüngung, entweder durch waldbauliche Bewirtschaftungspraktiken oder durch Windwurf, Schädlinge und Kalamitäten im Zuge des Klimawandels, sowie der Kli-mawandel selbst als wesentlicher Stressor für Waldökosysteme wurden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf hydrologische Prozesse analysiert. Für jeden dieser Einflussfaktoren wurden separate SWAT+-Modellszenarien erstellt und mit dem kalibrierten Basismodell verglichen, das die aktuellen Wassereinzugsgebietsbedingungen basierend auf Felddaten repräsentierte. Die Simulationen bestätigten günstige Bedingungen für die Grundwasserneubildung im Pfälzerwald. Im Zusammenhang mit der hohen Versickerungskapazität der Bodensubstrate der Buntsandsteinverwitterung, sowie dem verzögernden und puffernden Einfluss der Baumkronen auf das Niederschlagswasser, wurde eine signifikante Minderungswirkung auf die Oberflächenabflussbildung und ein ausgeprägtes räumliches und zeitliches Rückhaltepotential im Einzugsgebiet simuliert. Dabei wurde festgestellt, dass erhöhte Niederschlagsmengen, die die Versickerungskapazität der sandigen Böden übersteigen, zu einer kurz geschlossenen Abflussreaktion mit ausgeprägten Oberflächenabflussspitzen führen. Die Simulationen zeigten Wechselwirkungen zwischen Wald und Wasserkreislauf sowie die hydrologische Wirksamkeit des Klimawandels, verschlechterter Bodenfunktionen und altersbezogener Bestandesstrukturen im Zusammenhang mit Unterschieden in der Baumkronenausprägung. Zukunfts-Klimaprojektionen, die mit BIAS-bereinigten REKLIES- und EURO-CORDEX-Regionalklimamodellen (RCM) simuliert wurden, prognostizierten einen höheren Verdunstungsbedarf und eine Verlängerung der Vegetationsperiode bei gleichzeitig häufiger auftretenden Dürreperioden innerhalb der Vegetationszeit, was eine Verkürzung der Periode für die Grundwasserneubildung induzierte, und folglich zu einem prognostizierten Rückgang der Grundwasserneubildungsrate bis zur Mitte des Jahrhunderts führte. Aufgrund der starken Korrelation mit Niederschlagsintensitäten und der Dauer von Niederschlagsereignissen, bei allen Unsicherheiten in ihrer Vorhersage, wurde für die Oberflächenabflussgenese eine Steigerung bis zum Ende des Jahrhunderts prognostiziert.
Für die Simulation der Bodenverdichtung wurden die Trockenrohdichte des Bodens und die SCS Curve Number in SWAT+ gemäß Daten aus Befahrungsversuchen im Gebiet angepasst. Die günstigen Infiltrationsbedingungen und die relativ geringe Anfälligkeit für Bodenverdichtung der grobkörnigen Buntsandsteinverwitterung dominierten die hydrologischen Auswirkungen auf Wassereinzugsgebietsebene, sodass lediglich moderate Verschlechterungen wasserbezogener ÖSDL angezeigt wurden. Die Simulationen zeigten weiterhin einen deutlichen Einfluss der Bodenart auf die hydrologische Reaktion nach Bodenverdichtung auf Rückegassen und stützen damit die Annahme, dass die Anfälligkeit von Böden gegenüber Verdichtung mit dem Anteil an Schluff- und Tonbodenpartikeln zunimmt. Eine erhöhte Oberflächenabflussgenese ergab sich durch das Wegenetz im Gesamtgebiet.
Schadflächen mit Bestandesverjüngung wurden anhand eines artifiziellen Modells innerhalb eines Teileinzugsgebiets unter der Annahme von 3-jährigen Baumsetzlingen in einem Entwicklungszeitraum von 10 Jahren simuliert und hinsichtlich spezifischer Was-serhaushaltskomponenten mit Altbeständen (30 bis 80 Jahre) verglichen. Die Simulation ließ darauf schließen, dass bei fehlender Kronenüberschirmung die hydrologisch verzögernde Wirkung der Bestände beeinträchtigt wird, was die Entstehung von Oberflächenabfluss begünstigt und eine quantitativ geringfügig höhere Tiefensickerung fördert. Hydrologische Unterschiede zwischen dem geschlossenem Kronendach der Altbestände und Jungbeständen mit annähernden Freilandniederschlagsbedingungen wurden durch die dominierenden Faktoren atmosphärischer Verdunstungsanstoß, Niederschlagsmengen und Kronenüberschirmungsgrad bestimmt. Je weniger entwickelt das Kronendach von verjüngten Waldbeständen im Vergleich zu Altbeständen, je höher der atmosphärische Verdunstungsanstoß und je geringer die eingetragenen Niederschlagsmengen, desto größer war der hydrologische Unterschied zwischen den Bestandestypen.
Verbesserungsmaßnahmen für den dezentralen Hochwasserschutz sollten folglich kritische Bereiche für die Abflussbildung im Wald (CSA) berücksichtigen. Die hohe Sensibilität und Anfälligkeit der Wälder gegenüber Verschlechterungen der Ökosystembedingungen legen nahe, dass die Erhaltung des komplexen Gefüges und von intakten Wechselbeziehungen, insbesondere unter der gegebenen Herausforderung des Klimawandels, sorgfältig angepasste Schutzmaßnahmen, Anstrengungen bei der Identifizierung von CSA sowie die Erhaltung und Wiederherstellung der hydrologischen Kontinuität in Waldbeständen erfordern.
Coastal erosion describes the displacement of land caused by destructive sea waves,
currents or tides. Due to the global climate change and associated phenomena such as
melting polar ice caps and changing current patterns of the oceans, which result in rising
sea levels or increased current velocities, the need for countermeasures is continuously
increasing. Today, major efforts have been made to mitigate these effects using groins,
breakwaters and various other structures.
This thesis will find a novel approach to address this problem by applying shape optimization
on the obstacles. Due to this reason, results of this thesis always contain the
following three distinct aspects:
The selected wave propagation model, i.e. the modeling of wave propagation towards
the coastline, using various wave formulations, ranging from steady to unsteady descriptions,
described from the Lagrangian or Eulerian viewpoint with all its specialties. More
precisely, in the Eulerian setting is first a steady Helmholtz equation in the form of a
scattering problem investigated and followed subsequently by shallow water equations,
in classical form, equipped with porosity, sediment portability and further subtleties.
Secondly, in a Lagrangian framework the Lagrangian shallow water equations form the
center of interest.
The chosen discretization, i.e. dependent on the nature and peculiarity of the constraining
partial differential equation, we choose between finite elements in conjunction
with a continuous Galerkin and discontinuous Galerkin method for investigations in the
Eulerian description. In addition, the Lagrangian viewpoint offers itself for mesh-free,
particle-based discretizations, where smoothed particle hydrodynamics are used.
The method for shape optimization w.r.t. the obstacle’s shape over an appropriate
cost function, constrained by the solution of the selected wave-propagation model. In
this sense, we rely on a differentiate-then-discretize approach for free-form shape optimization
in the Eulerian set-up, and reverse the order in Lagrangian computations.
This thesis is focused on improving the knowledge on a group of threatened species, the European cave salamanders (genus Hydromantes). There are three main sections gathering studies dealing with different topics: Ecology (first part), Life traits (second part) and Monitoring methodologies (third part). First part starts with the study of the response of Hydromantes to the variation of climatic conditions, analysing 15 different localities throughout a full year (CHAPTER I; published in PEERJ in August 2015). After that, the focus moves on identify which is the operative temperature that these salamander experience, including how their body respond to variation of environmental temperature. This study was conducted using one of the most advanced tool, an infrared thermocamera, which gave the opportunity to perform detailed observation on salamanders body (CHAPTER II; published in JOURNAL OF THERMAL BIOLOGY in June 2016). In the next chapter we use the previous results to analyse the ecological niche of all eight Hydromantes species. The study mostly underlines the mismatch between macro- and microscale analysis of ecological niche, showing a weak conservatism of ecological niches within the evolution of species (CHAPTER III; unpublished manuscript). We then focus only on hybrids, which occur within the natural distribution of mainland species. Here, we analyse if the ecological niche of hybrids shows divergences from those of parental species, thus evaluating the power of hybrids adaptation (CHAPTER IV; unpublished manuscript). Considering that hybrids may represent a potential threat for parental species (in terms of genetic erosion and competition), we produced the first ecological study on an allochthonous mixed population of Hydromantes, analysing population structure, ecological requirements and diet. The interest on this particular population mostly comes by the fact that its members are coming from all three mainland Hydromantes species, and thus it may represent a potential source of new hybrids (CHAPTER V; accepted in AMPHIBIA-REPTILIA in October 2017). The focus than moves on how bioclimatic parameters affect species within their distributional range. Using as model species the microendemic H. flavus, we analyse the relationship between environmental suitability and local abundance of the species, also focusing on all intermediate dynamics which provide useful information on spatial variation of individual fitness (CHAPTER VI; submitted to SCIENTIFIC REPORTS in November 2017). The first part ends with an analysis of the interaction between Hydromantes and Batracobdella algira leeches, the only known ectoparasite for European cave salamanders. Considering that the effect of leeches on their hosts is potentially detrimental, we investigated if these ectoparasites may represent a further threat for Hydromantes (CHAPTER VII; submitted to INTERNATIONAL JOURNAL FOR PARASITOLOGY: PARASITES AND WILDLIFE in November 2017). The second part is related to the reproduction of Hydromantes. In the first study we perform analyses on the breeding behaviour of several females belonging to a single population, identifying differences and similarities occurring in cohorting females (CHAPTER VIII; published in NORTH-WESTERN JOURNAL OF ZOOLOGY in December 2015). In the second study we gather information from all Hydromantes species, analysing size and development of breeding females, and identifying a relationship between breeding time and climatic conditions (CHAPTER IX; submitted to SALAMANDRA in June 2017). In the last part of this thesis, we analyse two potential methods for monitoring Hydromantes populations. In the first study we evaluate the efficiency of the marking method involving Alpha tags (CHAPTER X; published in SALAMANDRA in October 2017). In the second study we focus on evaluating N-mixtures models as a methodology for estimating abundance in wild populations (CHAPTER XI; submitted to BIODIVERSITY & CONSERVATION in October 2017).
Erosion durch Regen und Wind schädigt fruchtbare Bodensubstanz irreversibel, verursacht weltweit riesige ökologische und sozio-ökonomische Schäden und ist eines der Hauptanliegen bezüglich Ökosystemdienstleistungen und Nahrungsmittelsicherheit. Die Quantifizierung von Abtragsraten ist immer noch höchst spekulativ, und fehlende empirische Daten führen zu großen Unsicherheiten von Risikoanalysemodellen. Als ein wesentlicher Grund für diese Unsicherheiten wird in dieser Arbeit die Prozesse der Beeinflussung von Wassererosion durch Wind und, im Speziellen, die Erosionsleistung von windbeeinflussten Regentropfen im Gegensatz zu windlosen Tropfen inklusive unterschiedlicher Oberflächenparameter beleuchtet. Der Forschungsansatz war experimentell-empirisch und beinhaltete die Entwicklung und Formulierung der Forschungshypothesen, die Konzeption und Durchführung von Experimenten mit einem mobilen Wind-Regenkanal, die Probenverarbeitung und Analyse sowie Interpretation der Daten. Die Arbeit gliedert sich in die Teile 1. "Bodenerosionsexperimente zu windbeeinflusstem Regen auf autochthonen und naturähnlichen Böden", 2. "Experimente zu Substratpartikeltransport durch windbeeinflussten Tropfenschlag" und 3. "Zusammenführung der Freiland- und Labortests". 1. Tests auf autochthonen degradierten Böden im semiariden Südspanien sowie auf kohäsionslosem sandigen Substrat wurden durchgeführt, um die relativen Auswirkungen von windbeeinflusstem Regen auf Oberflächenabflussbildung und Erosion zu untersuchen und zu quantifizieren. In der überwiegenden Anzahl der Versuche wurde klar eine Erhöhung der Erosionsraten festgestellt, was die Forschungshypothese, windbeeinflusster Regen sei erosiver als windloser Regen, deutlich bestätigte. Neben den stark erhöhten wurden auch niedrigere Abtragswerte gemessen, was zum einen die ausnehmende Relevanz der Oberflächenstrukturen und damit von in-situ- Experimenten belegte, zum anderen auf eine Erhöhung der Variabilität der Erosionsprozesse deutete. Diese Variabilität scheint zuzunehmen mit der Erhöhung der beteiligten Faktoren. 2. Ein sehr spezialisiertes Versuchsdesign wurde entwickelt und eingesetzt, um explizite Messungen der Tropfenschlagprozesse mit und ohne Windeinfluss durchzuführen. Getestet wurden die Erosionsagenzien Regen, Wind und windbeeinflusster Regen sowie drei Neigungen, drei Rauheiten und zwei Substrate. Alle Messergebnisse zeigten eine klare windinduzierte Erhöhung der Erosion um bis zu zwei Größenordnungen gegenüber windlosem Tropfenschlag und Wind. Windbeeinflusster Regen wird durch die gesteigerte Transportmenge und Weite als wesentlicher Erosionsfaktor bestätigt und ist damit ein Schlüsselparameter bei der Quantifizierung von globaler Bodenerosion, Erstellung von Sedimentbudgets und bei der Erforschung von Connectivity. Die Daten sind von hervorragender Qualität und sowohl für anspruchsvollere Analysemethoden (multivariate Statistik) als auch für Modellierungsansätze geeignet. 3. Eine Synthese aus Feld- und Laborversuchen (darunter auch ein bis dato unveröffentlichtes Versuchsset) inklusive einer statistischen Analyse bestätigt WDR als den herausragenden Faktor, der alle anderen Faktoren überlagert. Die Zusammenführung der beiden komplementären Experimentgruppen bringt die Forschungsreihe zu windbeeinflusstem Regen auf eine weiterführende Ebene, indem die Messergebnisse in einen ökologischen Zusammenhang gesetzt werden. Eine vorsichtige Projektion auf Landschaftsebene ermöglicht einen Einblick in die Risikobewertung von Bodenerosion durch windbeeinflussten Regen. Es wird deutlich, dass er sich gerade auch im Zusammenhang mit den durch den Klimawandel verstärkt auftretenden Regensturmereignissen katastrophal auf Bodenerosionsraten auszuwirken kann und dringend in die Bodenerosionsmodellierung integriert werden muss.
The development of our society contributed to increased occurrence of emerging substances (pesticides, pharmaceuticals, personal care products, etc.) in wastewater. Because of their potential hazard on ecosystems and humans, Wastewater Treatment Plants (WWTPs) need to adapt to better remove these compounds. Technology or policy development should however comply with sustainable development, e.g. based on Life Cycle Assessment (LCA) metrics. Nevertheless, the reliability or consistency of LCA results can sometimes be debatable. The main objective of this work was to explore how LCA can better support the implementation of innovative wastewater treatment options, in particular including removal benefits. The method was applied to support solutions for pharmaceuticals elimination from wastewater, regarding: (i) UV technology design, (ii) choice of advanced technology and (iii) centralized or decentralized treatment policy. The assessment approach followed by previous authors based on net impacts calculation seemed very promising to consider both environmental effects induced by treatment plant operation and environmental benefits obtained from pollutants removal. It was therefore applied to compare UV configuration types. LCA outcomes were consistent with degradation kinetics analysis. For the comparison of advanced technologies and policy scenarios, the common practice (net impacts based on EDIP method) was compared to other assessments, to better consider elimination benefits. First, USEtox consensus was applied for the avoided (eco)toxicity impacts, in combination with the recent method ReCiPe for generated impacts. Then, an eco-efficiency indicator (EFI) was developed to weigh the treatment efforts (generated impacts based on EDIP and ReCiPe methods) by the average removal efficiency (overcoming (eco)toxicity uncertainty issues). In total, the four types of comparative assessment showed the same trends: (i) ozonation and activated carbon perform better than UV irradiation, and (ii) no clear advantage distinguished between policy scenarios. It cannot be however concluded that advanced treatment of pharmaceuticals is not necessary because other criteria should be considered (risk assessment, bacterial resistance, etc.) and large uncertainties were embedded in calculations. Indeed, a significant part of this work was dedicated to the discussion of uncertainty and limitations of the LCA outcomes. At the inventory level, it was difficult to model technology operation at development stage. For impact assessment, the newly developed characterization factors for pharmaceuticals (eco)toxicity showed large uncertainties, mainly due to the lack of data and quality for toxicity tests. The use of information made available under REACH framework to develop CFs for detergent ingredients tried to cope with this issue but the benefits were limited due to the mismatch of information between REACH and USEtox method. The highlighted uncertainties were treated with sensitivity analyses to understand their effects on LCA results. This research work finally presents perspectives on the use of transparently generated data (technology inventory and (eco)toxicity factors) and further development of EFI indicator. Also, an accent is made on increasing the reliability of LCA outcomes, in particular through the implementation of advanced techniques for uncertainty management. To conclude, innovative technology/product development (e.g. based on circular economy approach) needs the involvement of all types of actors and the support from sustainability metrics.
Veterinary antibiotics are released to arable agricultural soil together with manure, including nutrients, organic matter, and microorganisms. Previously, the effects of antibiotic-contaminated manure on soil microbial community activity, function, structure, and resistance have been reported under controlled experimental conditions. This thesis further evaluated the antimicrobial effects as influenced by different manure compositions, soil microhabitats and moisture regimes, plants, and different distances to roots. Microbial community responses were determined by phenotypic phospholipid fatty acid (PLFA) and genotypic 16S rRNA gene fragment analyses. (Chapter 3) demonstrates that medication of pigs with difloxacin (DIF) and sulfadiazine (SDZ) alters the molecular-chemical pattern of slurries, confounding the detection of a consistent antibiotic effect in bulk and respective rhizosphere soil. This was evaluated in a 63-day mesocosm experiment considering typical agricultural manure applications to maize planted soil. Fecal bacteria were detected even 14 days after manure amendment. Manure of DIF- and SDZ-medicated pigs clearly affected the microbial community in mesocosm bulk and rhizosphere soil, temporarily matching antibiotic effects reported in previous studies. (Chapter 4) discusses the influences of different soil microhabitats on antibiotic fate and the effects on soil microflora. Total extractable SDZ was more than two-fold larger in earthworm burrows and soil macroaggregate surfaces compared to bulk soil or the interior fraction of aggregates. Furthermore, soil microbial communities were affected by a combination of soil microhabitat and treatment, which was reflected by different structural and functional community responses to SDZ in laboratory and under field conditions. (Chapter 5) evaluates if SDZ effects on microbial communities are more pronounced in soils which undergo periodic changes in soil moisture by drying-rewetting dynamics compared to soils without such moisture fluctuations. This was tested in a 49-day climate chamber soil pot experiment grown with grass. Manure-amended pots without or with SDZ contamination were incubated under a dynamic moisture regime with repeated drying and rewetting changes of more than twenty percent maximum water holding capacity compared to the control moisture regime. The microbial biomass, but less pronouncedly the community structure, showed an increased responsiveness to the combined stress of SDZ and dynamic moisture changes in the laboratory. Similar responses were documented under field conditions. (Chapter 6) indicated adverse effects of SDZ on root geotropism, number of lateral roots, and water uptake by plants in a 40-day greenhouse experiment with willow and maize grown in soil with environmentally relevant and worst-case antibiotic contamination. (Chapter 7) showed that the associated microbial community responded to a combination of plant species, distance to the root, and antibiotic spiking concentration. In highly antibiotic-contaminated soils, the structural and functional responses of the microbial community were dominated by indirect antibiotic effects on plants and roots.
The main objective of the present thesis was to investigate whether antibody effects observed in earlier in vitro studies can translate into the protection against chemical carcinogenesis in vivo as the basis of an immunoprophylactic approach against carcinogens. As model for chemical carcinogenesis, we selected B[a]P the prototype polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH), an environmental pollutant emanating from both natural and anthropogenic sources. Many in vivo models conveniently use high doses of carcinogens mostly given as single bolus, which provides simple surrogate readouts, but poorly reflects chronic exposure to the low concentrations found in the environment. In addition, these concentrations cannot be matched with equimolar antibody concentrations obtained by immunisation. However, low B[a]P concentrations do not permit to directly measure chemical carcinogenesis. Therefore, in the present thesis, the pharmacokinetic, metabolism and B[a]P mediated immunotoxicity were chosen as experimental read-outs. B[a]P conjugate vaccines based on ovalbumin, tetanus toxoid and diphtheria toxoid (DT) as carrier proteins were developed to actively immunise mice against B[a]P. B[a]P-DT conjugate induced the most robust immune response. The antibodies reacted not only with B[a]P but also with the proximate carcinogen 7,8-diol-B[a]P. Antibodies modulated the bioavailability of B[a]P and its metabolic activation in a dose-dependent manner by sequestration in the blood. In order to further improve the vaccination, we replaced the protein carrier by promiscuous T-helper cell epitopes to induce higher antibody titer with increased specificity for the B[a]P hapten. We hypothesised that a reduction of B cell binding sites on the carrier, compared to whole protein carrier, should favour the activation of B cells recognising the hapten instead of the carrier protein. An internal processing of the carrier and cleavage of the B[a]P-BA and subsequent presentation of the carrier peptide by MHC II molecules to T cell receptor should induce a B cell dependent immune response by activating B cells capable to recognise B[a]P. We demonstrated that a vaccination against B[a]P using promiscuous T-helper cell epitopes as a carrier is feasible and some tested peptide conjugates were more immunogenic as whole protein conjugates with increased specificity. We showed that vaccination against B[a]P reduces immunotoxicity. B[a]P suppressed the proliferative response of both T and B cells after a sub-acute administration, an effect that was completely reversed by vaccination. In immunized mice the immunotoxic effect of B[a]P on IFN-γ, Il-12, TNF-ï¡ production and B cell activation was restored. In addition, specific antibodies inhibited the induction of Cyp1a1 by B[a]P in lymphocytes and Cyp1b1 in the liver, enzymes that are known to convert the procarcinogen B[a]P to the ultimate DNA-adduct forming metabolite, a major risk factor of chemical carcinogenesis. In order to replace Freund adjuvant and to improve the immunisation strategy in terms of antibody quantity and quality, several adjuvants that are potentially compatible with their use in humans were tested. In combination with Freund adjuvant, the conjugate-vaccine induced high levels of B[a]P-specific antibodies. We showed that all adjuvants tested induced specific antibodies against B[a]P and 7,8-diol-B[a]P, its carcinogenic metabolite. The highest antibody levels were obtained with Quil A, MF-59 and Alum. Biological activity in terms of enhanced retention of B[a]P was confirmed in mice immunised with Quil A, Montanide, Alum and MF-59. Our findings demonstrate that a vaccination against B[a]P is feasible in combination with adjuvants licensed in humans. Based on these results and with the current understanding of the mechanisms of chemical carcinogenesis of the ubiquitous carcinogen B[a]P and of the effects of specific antibodies, an immunoprophylactic approach against chemical carcinogenesis is absolutely warranted. Nevertheless, the direct effects of B[a]P-specific antibodies on the different stages of carcinogenesis (e.g. adduct formation) and whether these effects may translate into long-term protective effect against tumourigenesis needs to be proven in further experiments.
Die globale Vernetzung, der Flächennutungs- und Klimawandel sind zentrale Aspekte bei der Ursachenanalyse der zunehmenden Homogenisierung von Biozönosen und dem weltweiten Verlust von Biodiversität. Von großer Bedeutung sind dabei Arten, die in sich ein weiträumiges Verbreitungspotential mit einem hohen ökologischen, zum Teil in Verbindung mit einem hohen ökonomischen, Schadpotential vereinen " so genannte invasive Arten. Aufgrund ihrer Eigenschaften bilden sie einen wichtigen Schnittpunkt von Ökologie, Ökonomie und Soziologie in Theorie und Praxis. Im Zuge der steigenden Anzahl von biologischen Invasionen weltweit und dem interessanten, interdisziplinären Charakter des Forschungsfeldes, ist dessen Analyse ein bedeutendes Top-Thema internationaler Forschung geworden. Die durch invasive Arten verursachten Schäden sind enorm: So werden die jährlichen Schäden für die USA, Südafrika, das Vereinigte Königreich, Brasilien und Indien auf insgesamt 336 Milliarden US Dollar geschätzt. Nach einem Bericht der EU Kommissionrnbeläuft sich für die Europäische Union die Summe aller Schäden die durch invasive Arten verursacht werden auf jährlich 12 Mrd. Euro. Folglich stellen invasive Arten zugleich einen zunehmend wichtigeren, rechtlichen Regelungsgegenstand auf den unterschiedlichsten Ebenen (international, europäisch, national) dar. In dieser Dissertation wird die Bedeutung von Verbreitungsmodellen als Analyseund Präventions-Instrument in der naturschutzfachlichen Risikoabschätzung verdeutlicht. Ferner wird die Einsatzmöglichkeit von Modellen für die rechtliche Einstufung von Arten und als Ermessensgrundlage bei der Bewilligung von Kostenersatzansprüchen nach entstandenen Schäden aufgezeigt. Zwei ökonomisch bedeutsame Käferarten wurden zur Veranschaulichung als Modellorganismen ausgewählt: Der für die biologische Schädlingsbekämpfung absichtlich eingeführte Asiatische Marienkäfer Harmonia axyridis und der vorwiegend mit Holzverpackungsmaterialien global verschleppte AsiatischernLaubholzbockkäfer Anoplophora glabripennis. Beide Organismen sind in der EU alsrngebietsfremde Arten mit einem hohen Schadpotential einzustufen, haben jedoch einen sehr unterschiedlichen rechtlichen Status inne. Harmonia axyridis wird in Europa kommerziell vermarktet und darf in Deutschland mit Genehmigungsvorbehalt im Freiland ausgebracht werden, wohingegen Anoplophora glabripennis in der EU als zu bekämpfender Quarantäneschadorganismus geführt wird. Für beide Insekten gibt es derzeit keinen praktikablen Rechtsanspruch auf Schadenshaftung bzw. Entschädigungen. Neben der Erstellung von Verbreitungsmodellen nach naturwissenschaftlichen Kriterien, wird dieser Tatbestand erörtert und entsprechende Verbesserungsansätze für die Normsetzung und -anwendung präsentiert.
Eine Vielzahl hydrophiler Xenobiotika wird in kommunalen Kläranlagen nur unvollständig abgebaut und stellt ein potentielles Risiko für aquatische Ökosysteme dar. Die Eliminationsleistung von Kläranlagen hat sich deshalb während des letzten Jahrzehnts zu einem Schwerpunkt in der aquatischen Umweltchemie entwickelt. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Zusammenhang die Variation biologischer Abbauleistungen kommunaler Kläranlagen für polare Xenobiotika. Es soll überprüft werden, ob die Abbauleistung von Xenobiotika mit derer klassischer Nährstoffe in Beziehung gesetzt werden kann. Als zusätzlicher Faktor zur Erklärung von unterschiedlichen Eliminationsleistungen wurden Probenahmestrategien hinsichtlich der Erstellung von Massenbilanzen analysiert. Fünf Pharmaka sowie drei Aminopolycarbonsäuren wurden als Testsubstanzen ausgewählt. Diese umfassen ein Spektrum an mikrobiologischer Abbaubarkeit bedingt durch die Reaktivität ihrer unterschiedlichen molekularen Strukturen. Ein kombinierter Versuchsaufbau aus Respirometrie und Abbautests ermöglichte, neben der Bestimmung von Abbaukinetiken, auch die Charakterisierung von Belebtschlamm. Der Einfluss von Mischungsprozessen auf die Abbauleistungen von Kläranlagen wurde mittels hydraulischer Aufenthaltszeitverteilungen modelliert. Darauf basierend wurde eine Methode zur Beurteilung und Erstellung von Eliminationsleistungen aus Zulauf-Ablauf Massenbilanzen entwickelt. Die Resultate zeigen deutliche Unterschiede in den Belebtschlammcharakteristika und dem Abbaupotential von Xenobiotika zwischen verschiedenen Kläranlagen. Die aktive heterotrophe Biomasse wurde als steuernder Faktor für die Biodegradation der untersuchten leicht und moderat abbaubaren Xenobiotika identifiziert. Dies kann als Hinweis auf kometabolische Abbauprozesse durch unspezifische Enzymaktivitäten gewertet werden. Die beobachtete Abnahme der Eliminationsleistung mit steigendem Schlammalter konnte anhand modifizierter Kinetiken pseudo-erster Ordnung beschrieben werden. Die Modellierung von Mischungsprozessen mittels hydraulischer Aufenthaltszeitverteilungen macht deutlich, mit welcher Unsicherheit Massenbilanzen in Kläranlagen behaftet sind. Die Ergebnisse demonstrieren, dass dies vor allem auf inadäquate Probenahmestrategien zurückzuführen ist. Insbesondere Massenbilanzen auf der Basis von kurzen Probenahmezeiträumen und 24-h Mischproben resultieren in fehlerhafte Eliminationsraten. Der vorgestellte Ansatz benutzt die Verteilungen von Aufenthaltszeiten als Leitprinzip, um Zulauf- und Ablauffrachten zueinander in Beziehung zu setzen. Die Methode kann als Grundlage zur akkuraten Schätzung von Eliminationsleistungen herangezogen werden und bietet eine Erklärung für das Vorkommen negativer Eliminationsleistungen.
Die Verwendung von unbestimmten Rechtsbegriffen bereitet Schwierigkeiten bei der Anwendung und gefährdet die Rechtssicherheit. In vielen Rechtsnormen des Umweltrechts (u. a. UVPG) findet der unbestimmte Rechtsbegriff "voraussichtliche erhebliche Umweltauswirkungen" Verwendung. In dieser Arbeit wird ein Beitrag zur Konkretisierung dieses Begriffes im Rahmen der strategischen Umweltprüfung (SUP) geleistet. Dabei wird ein interdisziplinärer Forschungsansatz gewählt, der durch juristische, wie naturwissenschaftliche Methodik geprägt ist und dazu beiträgt das Schutzgut der Biodiversität genauer zu bestimmen. Dazu wird zunächst auf juristischer Ebene geprüft, ob aus dem UVPG sowie weiteren Rechtsnormen des Umweltrechts Informationen zur Konkretisierung dieses Begriffes zu gewinnen sind. Hiernach ergibt sich, dass der Erheblichkeitsbegriff insbesondere dazu dient, Bagatellfälle auszuklammern und Angleichungen zwischen den Rechtsnormen zu erreichen. Da die SUP seit 2005 geltendes Recht ist, ist es wichtig zu sehen, wie in der Gutachtenpraxis mit diesem unbestimmten Rechtsbegriff umgegangen wird. Daher sind vier Umweltberichte gemäß -§14g Satz 2 Nr.5 UVPG überprüft worden. Es stellte sich heraus, dass die Umweltberichte weder in der Lage sind die voraussichtlichen erheblichen Umweltauswirkungen zu Konkretisieren, noch wie es vom UVPG gemäß -§14g Satz 2 Nr.3 UVPG gefordert wird das Schutzgut der Biodiversität hinreichend darzustellen. Aus naturwissenschaftlicher Sicht wurden zunächst natürliche und anthropogene Auswirkungen auf die Biodiversität geprüft, um so die Faktoren zu ermitteln, die die Biodiversität besonders negativ zu beeinflussen vermögen. Demnach gilt es die Faktoren Habitatfragmentierung, Angleichungsprozesse (Biotic homogenization) und Intensität der Landnutzung im Rahmen der SUP frühzeitig zu vermeiden. Die "Convention of Biodiversity" zählt neben den Arten und Landschaften auch die genetische Ebene zum Begriff der Biodiversität. So ist es sinnvoll auch genetische Aspekte in die Schadensbewertung zu integrieren. Daher wurden in einer phylogeographischen Analyse die zwei Genorte Cytochrom Oxidase I und die Control Region der mtDNA des silbergrünen Bläuling, Polyommatus coridon (30 Populationen) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass genetische Analysen zwar wichtige Informationen für die Konkretisierung des unbestimmten Rechtsbegriffes liefern, aber dennoch mit Vorsicht diesbezüglich zu behandeln sind. Letztendlich stellte sich heraus, dass die Konkretisierung des unbestimmten Rechtbegriffes der voraussichtlichen erheblichen Umweltauswirkungen sich im Rahmen der strategischen Umweltprüfung mehr als schwierig und in Hinblick auf der Konzeption der SUP wenig sinnvoll erweist.