Wolke und Nebel

Obwohl Wolken- und Nebelwasser einen Anteil von 10?3 an der Masse und einen Anteil von 10?6 am Volumen der Luft nie wesentlich übersteigen, ist ihre Anwesenheit von großer Bedeutung für die Chemie der Troposphäre sowie an vielen Orten für den Schadstoffeintrag aus der Atmosphäre. Wolke und Nebel können Quellen sekundärer Schadstoffe darstellen und beeinflussen Umwandlung, Transport und Senken von vielen luftgetragenen Spurenstoffen. Die Inhaltsstoffe von Wolken- und Nebelwasser sind die Folge physikalischer und chemischer Selektionsprozesse im Mehrphasensystem Luft, das durch die atmosphärischen Gase, feste und flüssige Partikel gegeben ist. Stoffspezifische Anreicherungsvorgänge in der wäßrigen Phase und gegenüber der Gasphase beschleunigte Reaktionen sind die wichtigsten Urachhen für die in Wolken- und Nebelwasser vorgefundenen hohen Schadstoffkonzentrationen. Einige der atmosphärischen Säurebildungsprozesse, darunter die Oxidation von SO2 zu Schwefelsäure, verlaufen weit effektiver in Tröpfchen. Die Säurekonzentrationen, die in Wasser von aufliegenden Wolken, insbesondere bei Strahlungsnebeln, beobachtet wurden, übersteigen jene des Niederschlags weit, in der Regel um mehr als eine Größenordnung. Der Schadstoffeintrag durch Deposition von Wasser aufliegender Wolken kann an manchen Orten—insbesondere in bewaldeten Mittelgebirgs- und Gebirgsregionen—den durch Niederschlag bedingten Eintrag übersteigen. Besondere Gegebenheiten bei der Exposition von Vegetation in aufliegenden Wolken und in Nebeln erhöhen das Wirkungspotential der Schadstoff-Fracht von Nebel und Wolke.     

Neue Pogaina-Arten (Turbellaria,Dalyellioda) mit Zooxanthellen aus dem Mesopsammal der Nordsee- und Mittelmeerküste

Zusammenfassung Die Gattung Pogaina Marcus wird um 2 neue Arten aus dem marinen Mesopsammal erweitert. Pogaina kinnei nov. spec. stammt aus dem eulitoralen Sandwatt der Nordseeküste, Pogaina annulata aus sublitoralen Grobsanden des Golfes von Neapel.Wahrscheinlich liefert die Gattung Pogaina ein neues Beispiel für eine Endosymbiose zwischen Turbellarien und Diatomeen.

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Two new species of the genus Pogaina Marcus are described. Pogaina kinnei nov. spec. lives in intertidal sand flats of the North Sea whereas Pogaina annulata nov. spec. was collected from sublittoral coarse sand of the Gulf of Naples. The genus Pogaina probably represents a new example of an endosymbiosis between turbellarians and diatoms.

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Mit unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft.     

Einsatz der Hassediagrammtechnik zum Vergleich von Bergbaubetrieben unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit

Ziel und Hintergrund

Der Vergleich von Bergwerken unter dem Gesichtspunkt einer nachhaltigen Entwicklung erfordert die Berücksichtigung einer Vielzahl von Kriterien die gleichermaßen ökonomische, ökologische und soziale Aspekte berücksichtigen. Bergwerksbetreiber stehen bei ihren strategischen und operativen Entscheidungen vor der Schwierigkeit diese Kriterien angemessen zu berücksichtigen. Durch den Einsatz, der HDT wird die Komplexität der Entscheidungssituation reduziert. Sie unterstützt die Aufbereitung der verfügbaren Informationen und erleichtert so die Entscheidungsfindung.

Methodik

Das Ziel einer nachhaltigen Entwicklung im Bergbau kann durch den Einsatz von Indikatoren konkretisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt ein Vergleich ausgewählter Bergwerke durch die Definition geeigneter Indikatoren, ihre numerische Belegung und durch ihre Verwendung in der HDT. Dabei werden verschiedene methodische Aspekte wie die Klassifizierung von Daten, deren Aggregierung und Gewichtung sowie die Einbeziehung von Expertenwissen dargestellt.

Ergebnisse

Am Beispiel ausgewählter Bergwerke wird gezeigt, dass eine Sortierung der Bergwerke anhand ihrer charakteristischen und als wesentlich erachteten Eigenschaften möglich ist. Durch den Einsatz der Hassediagrammtechnik wird die Komplexität der Entscheidungssituation reduziert. Es wird aber auch deutlich, dass mit diesem Instrument kein Verfahren vorliegt, dessen Einsatz automatisch zu einer eindeutigen Rangfolge führt. Es bleibt notwendig, die Anwendung der Hassediagrammtechnik in einen umfassen deren Entscheidungs-und Zielfindungsprozess zu integrieren.

Diskussion

Die Sortierung erfolgt bewertend, d.h. sie nutzt aus, dass charakteristischen Eigenschaften von Bergwerken inhärent eine Orientierung nach ?gut’ und ?schlecht’, zugeordnet werden kann. Es wird aber auch deutlich, dass mit diesem Instrument kein Verfahren vorliegt, dessen Einsatz, automatisch zu einer eindeutigen Rangfolge führt.

Schlussfolgerungen

Es bleibt notwendig, die Anwendung der Hassediagrammtechnik in einen umfassenderen Entscheidungs- und Zielfindungsprozess zu integrieren. Vorschläge zu einer Erweiterung der Hassediagrammtechnik werden formuliert.

Empfehlungen und Perspektiven

Die Hassediagrammtechnik versteht sich als eine Bewertungsmethodik, die das in der Nachhaltigkeits-/Bewertungsdiskussion so gefürchtete Vergleichen von ?Äpfeln mit Birnen’ vermeidet. Als relativ neue Methode, die sich als Alternative zu etablierten Bewertungsverfahren sieht, lässt sich weiterer Forschungsbedan ableiten.     

Assessment of regional capabilities for agricultural coexistence with genetically modified maize

Background

The coexistence of agricultural production with and without the use of genetically modified (GV) crops is supposed to be made possible in Germany by regulations, which include minimal distances of GV-fields to potentially susceptible crop fields and habitats. To explore the impact of these regulations on region specific coexistence potentials, we broadened the applicability of an existing method for the simulation of the spatial distribution of arable fields cropped with conventional, organic and GV-maize. We used simulations which combine a variety of minimum distances of GV-maize fields to assess regional specific options and limitations for coexistence.

Results

An existing method was extended to be applicable for different spatial scales, from the large (e.g. Federal State) to small (e.g. municipality). Input data consisted of cropping statistics, geometry of arable fields and protected areas. Scenarios of cropping situations included various minimal distances between GV-maize fields and protected areas and various proportions of maize within the areas. The results of the simulations represent possible distribution patterns of non-GV and GV-maize fields as well as the size of the remaining area in which additional GV-maize can be grown without violating the minimal distance rules. As suspected, increasing proportions of GV-maize and increasing minimal distances lower the areas suitable for additional GV-maize. However, the relation between the area of GV-maize grown and those suitable for GV-maize cultivation varied between the scenarios. Moreover, the variability between the municipalities was even more evident, due to varying landscape structure (proportion of maize, the ratio total arable land to maize, proportion of protected areas). Areas with high proportions of GV-maize, of protected areas and of maize could be problematical for coexistence. We discuss these parameters with regard to other coexistence studies.

Conclusions

Our method is suitable to simulate the spatial distribution of fields cultivated with GV-crops and non-GV-crops on various scales. Simulations on the scale of a Federal State reveals those areas, in which coexistence could be problematical. Simulations on a county scale, however, allow more insight into options and restrictions for coexistence in relation to landscape structural characteristics, which also can be transferred to larger scales. On the scale of municipalities simulations can help to analyse the limits of coexistence in areas of high conflict potential, moreover this level is more realistic with regard to practical agricultural decisions on the farm level.

Zusammenfassung

Hintergrund

Die Koexistenz verschiedener landwirtschaftlicher Produktionsformen ?C mit und ohne Anbau von gentechnisch ver?nderten Pflanzen (GVO) ?C soll durch gesetzlich fixierte Regeln erm?glicht werden, die unter anderem die Mindestabst?nde von GVO-Anbaufl?chen zu potenziell empfindlichen anderen Ackerfl?chen und Biotopen festlegen. Hier wurde eine Methode weiterentwickelt zur Simulation der r?umlichen Verteilung der Anbaufl?chen von konventionellem, ?kologischem und GV-Mais um regionsspezifische Koexistenzpotenziale von gentechnisch ver?ndertem Mais, sowie potenzielle Konfliktgebiete zu identifizieren.

Ergebnisse

Eine für Brandenburg entwickelte GIS-Simulationsmethode wurde durch die Verwendung fl?chendeckend vorhandener Daten so erweitert, dass sie bundesweit übertragbar ist und auf unterschiedlichen r?umlichen Skalenebenen angewandt werden kann, von gro?r?umig (Bundesland) bis lokal (Gemeinde). Als Eingangsdaten wurden Anbaustatistiken sowie Geometrien der Ackerfl?chen und von FFH- und Naturschutzgebieten verwendet. In den Szenarien wurden Abstandsregelungen zwischen Maisanbaufl?chen und zu Schutzgebieten und der GV-Maisanteil variiert. Die Ergebnisse der Simulation sind m?gliche r?umliche Verteilungen von Nicht-GV-Mais und GV-Mais sowie die potenziell für den Anbau von GV-Mais zur Verfügung stehende Fl?che. Mit zunehmendem GV-Maisanteil und Mindestabst?nden zu Schutzgebieten wird die für den GV-Mais zur Verfügung stehende Fl?che st?rker ausgesch?pft. Der Anteil des GV-Mais an der potenziell für den Anbau von GV-Mais zur Verfügung stehenden Fl?che variierte zwischen den Szenarien, und noch st?rker jedoch regional zwischen den Landkreisen, verursacht durch deren verschiedene agrar- und landschaftsstrukturelle Ausstattung (Maisanbauanteil, Verh?ltnis Ackerlandsanteil/Maisanbauanteil, Schutzgebietsanteil). Ein r?umliches Konfliktpotenzial bei der Umsetzung der Koexistenz ist in Gebieten hohen Nutzungsdrucks zu erwarten, d.h. in denen sowohl der Maisanbauanteil an der Ackerfl?che und der Anbauanteil von GV-Mais, als auch der Schutzgebietsanteil hoch sind. Diese Faktoren werden diskutiert in Bezug zu Ergebnissen weiterer Koexistenzstudien.

Schlussfolgerungen

Die vorgestellte Methode ist geeignet, die r?umliche Verteilung des Anbaus von Nicht-GV-Mais und GV-Mais auf unterschiedlichen Skalenebenen zu simulieren: Die Ebene eines Bundeslandes liefert Hinweise auf Gebiete, in denen die Koexistenz problematisch sein k?nnte und kann als Grundlage weiterer Berechnungen, wie zum Beispiel der Modellierung von Genflüssen auf Landesebene dienen. Die Simulation auf der Ebene eines Landkreises oder einer Gemeinde erm?glicht genauere Aussagen über die M?glichkeiten und Grenzen der Koexistenz. Auf der Ebene der Landkreise k?nnen z.B. unterschiedliche agrar- und landschaftsstrukturelle Situationen untersucht und für eine nachfolgende Regionalisierung angewandt werden. Die Ebene der Gemeinden erlaubt die Analyse der Grenzen der Koexistenz für Gebiete mit h?herem r?umlichen Konfliktpotenzial. Simulationen auf lokaler Ebene erscheinen darüber hinaus n?her an den Entscheidungsm?glichkeiten der landwirtschaftlichen Praxis.     

Klima-Biomonitoring: Nachweis des Klimawandels und dessen Folgen für die belebte Umwelt

Hintergrund und ZielEs wird vorgeschlagen, Biomonitoring-Verfahren zu verwenden, um Auswirkungen des Klimawandels auf die belebte Umwelt zu erkennen, zu bewerten und zu dokumentieren, weil ? es mit dieser Methode gelingt, klimainduzierte Veränderungen in besonders empfindlichen Gebieten in Deutschland mit ihren Lebensräumen, Lebensgemeinschaften und Arten darzustellen, ? es bezüglich Zuwanderung und Ausbreitung neuer Schädlinge und Krankheitserreger für Mensch, Tier und Pflanze nach bzw. in Deutschland relevante Informationen liefern kann, ? damit der Politik zur Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels wichtige Informationen, Handreichungen und Entscheidungsgrundlagen zur Verfügung gestellt werden können und ? auf dieser Grundlage geeignete Anpassungsmaßnahmen eingeleitet und auf ihre Wirksamkeit geprüft werden können, wie beispielsweise in der Deutschen Anpassungsstrategie (BMU 2009) beschrieben. Für Biomonitoring-Verfahren, die geeignet sind, Auswirkungen des Klimawandels anzuzeigen, wird der Begriff Klima-Biomonitoring vorgeschlagen Diese Verfahren sollten aus verschiedenen Gründen (u.?a. abgestimmte Methodik und gleiche Datenbasis, Kostenersparnis) unter Beteiligung aller Bundesländer umgesetzt werden. Bioindikation ist bereits heute ein unverzichtbares Verfahren, frühzeitig Veränderungen in der belebten Umwelt zu erkennen und somit Hinweise auf besondere Gefahren zu liefern (Frühwarnsystem). Für das Klima-Biomonitoring werden vorzugsweise bestehende Monitoringsysteme mit ihren bereits erhobenen Daten ausgewertet und mitgenutzt. Material und Methoden Das Klima-Biomonitoring greift auf bereits eingeführte und bewährte Methoden der Bioindikation von Umweltveränderungen zurück. Bestehende Methoden werden im Hinblick auf die besonderen, durch den Klimawandel bedingten Anforderungen ergänzt, angepasst und weiterentwickelt. Auf der Grundlage einer Auswertung relevanter laufender Bundes- und Länderprogramme werden wesentliche Wirkungen des Klimawandels identifiziert, die datenliefernden Programme zugeordnet und Auswertungen vorgeschlagen. Zusätzlich werden Datenquellen beschrieben, deren Nutzung weitergehende Betrachtungen ermöglichen. ErgebnisseIn einer Übersichtstabelle werden Monitoring-Programme auf Bundes- und Länderebene systematisiert und hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Bewertung von Klimafolgen auf die belebte Umwelt dargestellt. Eine Übersicht über Datenquellen sowie eine Darstellung erster Erkenntnisse aus der Auswertung vorliegender Daten belegen die Relevanz des vorgeschlagenen Verfahrens. Der erkennbare Forschungs- und Entwicklungsbedarf wird umrissen und Vorschläge für eine Optimierung des Daten- und Methodenaustausches benannt. Beispiele zur Anwendung und Vertiefung der Thematik sowie Anregungen zur Weiterentwicklung der Methodik und zum Schließen von Kenntnislücken werden in Folgepublikationen aufgezeigt. DiskussionAuf der Basis des Klima-Biomonitorings kann das Ausmaß der durch den Klimawandel bereits eingetretenen Veränderungen beschrieben sowie Szenarien und Prognosen zu den Auswirkungen von Klimaveränderungen erstellt werden. Weiterhin ist es möglich, die sekundären Wirkungen des Klimawandels, insbesondere die Auswirkungen der Maßnahmen zur Anpassung an den Wandel, mithilfe der Bioindikation auf ihre Wirksamkeit zu prüfen. Für einige Klima-Bioindikatoren ist der kausale Zusammenhang zwischen Klimawandel und Reaktion bereits belegt (zum Beispiel die Frühjahrsphasen in der Pflanzenphänologie), in anderen Fällen müssen noch Methoden zur Unterscheidung zwischen Klimawirkungen und anderen Wirkfaktoren entwickelt werden. Die Erkenntnisse aus dem Klima-Biomonitoring sollen Grundlage für entsprechende Handlungen sein, sodass geeignete Anpassungsstrategien und gleichzeitig Maßnahmen zur Vermeidung oder zur Verminderung der Effekte eingeleitet werden können. Zugleich sollen eine angemessene Politikberatung, eine Information der Öffentlichkeit und die Erfüllung entsprechender Berichtspflichten erfolgen. Schlussfolgerungen:Klima-Biomonitoring ist eine geeignete Methode, um klimainduzierte Veränderungen in besonders empfindlichen Gebieten in Deutschland mit ihren Lebensräumen, Lebensgemeinschaften und Arten darzustellen. Erste Auswertungen zeigen, dass bereits Wirkungen des Klimawandels auf die belebte Umwelt nachweisbar sind. Hierbei liefert die Pflanzenphänologie seit vielen Jahren wertvolle Hintergrunddaten. Eine Verschneidung dieser Hintergrunddaten mit Daten aus anderen geeigneten Monitoring-Programmen und weiteren Informationen (zum Beispiel Geobasisdaten) ermöglicht es, diese Erkenntnisse zu ergänzen. Damit ist die Ermittlung und Bewertung von klimainduzierten Wirkungen auch im Bereich der Ausbreitung von Krankheitsüberträgern und -erregern und anderer Phänomene sowie der Bewertung von Maßnahmen möglich. Empfehlungen und PerspektivenEine abgestimmte Anwendung der Methodik in allen Bundesländern und beim Bund, eine Verbesserung des Daten- und Methodenaustausches, die Identifikation, Erschließung und Nutzung weiterer Datenquellen, die Weiterentwicklung der Methodik und eine Publikation weiterer Erkenntnisse werden empfohlen. Es ist davon auszugehen, dass sich das Klima-Biomonitoring wegen seiner Vorteile als Methode zur Erhebung von Klimafolgen für die belebte Umwelt auch international etablieren wird.     

Emissionen und Minderungspotential von HFKW, FKW und SF6 in Deutschland

The greenhouse gases subject to emission reduction commitments under the UN Climate Convention include the fluorinated compounds sulphur hexafluoride (SF₆), perfluorocarbons (PFCs) and hydrofluorocarbons (HFCs). The present study projects the emissions of these gases in Germany over the 1995–2010 period, with and without additional emission abatement efforts In the business-as-usual scenario, total emissions of the three fluorinated gases rise over the 1995–2010 period from 11,1 to 27.4 million tonnes CO₂ equivalent. This rise is attributable to 72% to HFCs, used above all for refrigeration and stationary air-conditioning, for mobile air-conditioning, for blowing extruded polystyrene (XPS) foam and for one-component polyurethane (PU) foam. Soundproof glazing is the largest SF₆ emission sector. Most PFC emissions come from semiconductor manufacturing and aluminium smelting. The reduction scenario does not achieve a stabilisation of fluorinated gas emissions either. The rate of growth is only slowed, with 11.1 million tonnes CO₂ equivalent in 1995 growing to 14.9 million in 2010. The measures proposed to attenuate emissions growth are: mandatory equipment maintenance in refrigeration and stationary air-conditioning, refrigerant substitution of HFCs by CO₂ in mobile air-conditioning, partial HFC substitution by CO₂ in XPS foam blowing, 95% HFC substitution by flammable hydrocarbons in one-component PU foam. Complete SF₆ phase-out is considered to be feasible in soundproof glazing. The PFC emissions of the semiconductor industry can be cut by 85% by new chamber cleaning technologies.     

Sine-skewed axial distributions with an application for fallen tree data

An axis is an undirected line where there is no reason to distinguish one end of the line from the other. Phenomena in nature that can be described as axial data are numerous. In this paper a method of trigonometric moments for the axial normal or axial von Mises distribution as an alternative to the method by Arnold and SenGupta (Environ Ecol Stat 13:271–285, 2006) is discussed. Sine-skewed axial Jones–Pewsey, von Mises and wrapped Cauchy distributions are introduced as special cases of a more general construction of skew axial distributions. As an example the methods are applied to a data set which consists of the orientations of logs on the floor of a primeval spruce forest.     

Klima wandel und Malaria

Goal and Scope

The coastal zones of Lower Saxony (Germany) are former malaria regions. Malaria had finally become extinct in the early 1950s, and subsequently related scientific investigations declined. But from that time until nowadays, the vector in the form of Anopheles mosquitoes has still been present in Lower Saxony. Thus, the question arises, whether a new autochthon transmission could take place due to the monthly mean temperatures of the recent years. Answering this question was one goal of the investigation at hand. Another one was to examine the spatial and temporal structure of potential transmissions in respect to the predicted increase of the air temperatures according to the IPCC scenarios.

Methods

Current information about anophelines and their characteristics within Germany, such as details on historical incidences, breeding preferences, longevity or distribution of the respective species, were collected by literature research. Further, measurement and incidence data had to be collected and processed: temperature values were provided by the Deutscher Wetterdienst (DWD), and recent findings of Anopheles were supplied by the former Niedersächsisches Landesamt für Ökologie (NLÖ) as a data bank. Then temperature maps were calculated for the three periods (1947–1960, 1961–1990, 1985–2004) by means of Kriging. To model areas at risk, the transmission potential for a new vivax malaria spread in respect to temperature was computed using the Basic Reproduction Rate (R₀) formula. It provides the average number of secondary infections produced when a single infected individual is introduced into a potential host population in which each member is susceptible.

Results

The computations corroborate a climate warming between the 30-years interval from 1961 to 1990 and the period from 1985 to 2004. According to the rise of the air temperature as predicted by the IPCC scenarios, the spatial pattern of potential malaria outbreak was calculated for 2020, 2060 an 2100. To this end, for each of these years a best-case-scenario with the lowest reasonable temperature increases (+0.3°C, +0.9°C, +1.4°C) and a worst-case-scenario implying the highest plausible temperature rise (+0.9°C, +3.3°C, +5.8°C) were assumed. While in 2020 the maximum duration of the transmission risk is estimated to last four months, in 2100 the vivax transmission will be likely from May until October.

Discussion

Correlated with the higher monthly mean temperature values, the risk of a vivax transmission is increasing as temperature is the determining variable of the mathematical model. Therefore Lower Saxony is at risk of a new outbreak of vivax malaria assuming no other risk factors are of relevance.

Conclusions

The study could demonstrate that most parts of the country lie within a transmission zone with a duration of two months. The areas containing the highest risk with a transmission length of three months are located around Nordhorn and Hameln, and within the rectangle of Celle, Hannover, Helmstedt and Wolfsburg. These areas match with recent Anopheles larvae finding by the NLÖ, thus, only the pathogen is lacking for a successful transmission. And as Germany is not an endemic malaria zone, the pathogen can enter the country most likely by infected people or imported mosquitoes that transport it in their guts.

Recommendations and Perspectives

The results should be understood as a request for more comprehensive investigations in that field. This would be an essential basis for a successful risk monitoring and precautionary management. Although the chances of a new endemic malaria disease in Germany seem to be considerably low today, it would be better to be prepared than to be suddenly faced with the unexpected.     

Bewertungs- und Darstellungsverfahren

A large number of suitable bioindication methods are available for ecological monitoring. Nevertheless, a deficit still exists in the methods for evaluating and presenting these results. Within the ecological Monitoring Network of Baden-Württemberg, bioindication techniques have been implemented since 1984. A special concept has been developed which enables an integrated evaluation from the partial models investigated. The aim is the development of an “Ecological Quality Map” for Baden-Württemberg through which the environmental pollution situation can be documented from both a regional and a chronological point of view.     

Schwermetallbelastung von Dreissena polymorpha in Donau und Drau und ihre Bedeutung als Bioindikator

Goal and Scope

This study was undertaken to investigate the differences in heavy metal burden between the organisms and environmental compartments and to evaluate the role of Dreissena polymorpha as a bioindicator organism.

Methods

The concentrations of zinc, copper, cadmium and lead in whole soft body and selected tissues of D. polymorpha at two river habitats in Austria were examined using atomic absorption spectroscopy (AAS). Concentrations in organisms were compared to those in sediment and water.

Results and Conclusion

Zebra mussels of the river Drau showed generally higher heavy metal concentrations as compared to mussels of the river Danube and contained elevated zinc and cadmium levels as compared to metal concentrations found in soft tissues of zebra mussels from uncontaminated sites in Germany and The Netherlands. The essential metals zinc and copper were mainly accumulated in gills, foot and byssal gland tissue of the mussel, in contrast to the non-essential metals cadmium and lead which were found predominantly in the midgut gland. The heavy metal concentrations in both, sediments and mussel tissue, were higher than in water samples. There was no correlation between the concentrations in water and in the organisms except for zinc. In contrast, correlations were found between concentrations in sediments and mussel soft tissue.

Recommendation and Perspective

Further investigations should include the examination of sediments and consider the mechanism of food uptake to assess the role of D. polymorpha as a bioindicator organism.     

Über den Einfluß der Nahrungskonzentration und anderer Faktoren auf Filtrierleistung und Nahrungsausnutzung der Muscheln Arctica islandica und Modiolus modiolus

Filtration rates and the extent of phagocytosed food particles were determined in the offshore lamellibranchs Artica islandica and Modiolus modiolus in relation to particle concentration, body size and temperature. Pure cultures of the algae Chlamydomonas sp. and Dunaliella sp. were used as food. A new method for determining filtration rates was developed by modifying the classical indirect method. The concentration of the experimental medium (100%) was kept constant to ±1%. Whenever the bivalves removed algae from the medium, additional algae were added and the filtration rate of the bivalves expressed in terms of percentage amount of algae added per unit time. The concentration of the experimental medium was measured continuously by a flow colorimeter. By keeping the concentration constant, filtration rates could be determined even in relation to different definite concentrations and over long periods of time. The amount of phagocytosed food was measured by employing the biuret-method (algae cells ingested minus algae cells in faeces). Filtration rates vary continuously. As a rule, however, during a period of 24 h, two phases of high food consumption alternate with two phases of low food consumption during which the mussels' activities are almost exclusively occupied by food digestion. Filtration rate and amount of phagocytosed algae increase with increasing body size. Specimens of A. islandica with a body length of 33 to 83 mm filter between 0.7 to 71/h (30–280 mg dry weight of algae/24 h) and phagocytose 21 to 122 mg dry weight of algae during a period of 24 h. The extent of food utilization declines from 75 to 43% with increasing body size. In M. modiolus of 40 to 88 mm body length, the corresponding values of filtration rate and amount of phagocytosed algae range between 0.5 and 2.5 l/h (20–100 mg dry weight of algae) and 17 to 90 mg dry weight of algae, respectively; the percentage of food utilization does not vary much and lies near 87%. Filtration rate and amount of phagocytosed algae follow the allometric equation y=a·x ^b. In this equation, y represents the filtration rate (or the amount of phagocytosed algae), a the specific capacity of a mussel of 1 g soft parts (wet weight), x the wet weight of the bivalves' soft parts, and b the specific form of relationship between body size and filtration rate (or the amount of phagocytosed algae). The values obtained for b lie within a range which indicates that the filtration rate (or the amount of phagocytosed algae) is sometimes more or less proportional to body surface area, sometimes to body weight. Temperature coefficients for the filtration rate are in Arctica islandica Q₁₀ (4°–14°C)=2.05 and Q₁₀ (10°–20°C)=1.23, in Modiolus modiolus Q₁₀ (4°–14°C)=2.33 and Q₁₀ (10°–20°C)=1.63. In A. islandica, temperature coefficients for the amount of phagocytosed algae amount to Q₁₀ (4°–14°C)=2.15 and Q₁₀ (10°–20°C)=1.55, in M. modiolus to Q₁₀ (4°–14°C)=2.54 and Q₁₀ (10°–20°C)=1.92. Upon a temperature decrease from 12° to 4°C, filtration rate and amount of phagocytosed algae are reduced to 50%. At the increasing concentrations of 10×10⁶, 20×10⁶ and 40×10⁶ cells of Chlamydomonas/l offered, filtration rates of both mollusc species decrease at the ratios 3:2:1. At 12°C, pseudofaeces production occurs in both species in a suspension of 40×10⁶, at 20°C in 60×10⁶ cells of Chlamydomonas/l. At 12°C and 10–20×10⁶ cells of Chlamydomonas/l, the maximum amount of algae is phagocytosed. At 40×10⁶ cells/l, the amount of phagocytosed cells is reduced by 26% as a consequence of low filtration rates and intensive production of pseudofaeces. At 20°C and 20–50×10⁶ cells of Chlamydomonas/l, the maximum amount of algae is sieved out and phagocytosed; the concentration of 10×10⁶ cells/l is too low and cannot be compensated for by increased activity of the molluscs. With increasing temperatures, the amount of suspended matter, allowing higher rates of filtration and food utilization, shifts toward higher particle concentrations; but at each temperature a threshold exists, above which increase in particle density is not followed by increase in the amount of particles ingested. Based on theoretical considerations and facts known from literature, 7 different levels of food concentration are distinguishable. Experiments with Chlamydomonas sp. and Dunaliella sp. used as food, reveal the combined influence of particle concentration and particle size on filtration rate. Supplementary experiments with Mytilus edulis resulted in filtration rates similar to those obtained for M. modiolus, whereas, experiments with Cardium edule, Mya arenaria, Mya truncata and Venerupis pullastra revealed low filtration rates. These species, inhabiting waters with high seston contents, seem to be adapted to higher food concentrations, and unable to compensate for low concentrations by higher filtration activities. Adaptation to higher food concentrations makes it possible to ingest large amounts of particles even at low filtration rates. Suspension feeding bivalves are subdivided into four groups on the basis of their different food filtration behaviour.     

Bioakkumulation von Metallen und Stickstoff zwischen 1990 und 2005 in Niedersachsen

Background, aim, and scope Since 1990 the UN ECE Heavy Metals in Mosses Surveys provide data inventories of the atmospheric heavy metal bioaccumulation across Europe. In the survey 2005 the nitrogen accumulation was measured for the first time in most of the participating countries. In Germany, the surveys were conducted in close cooperation of the relevant authorities of both the Federal Republic and the sixteen states. Therefore, statistical evaluations of the moss survey data with regard to the whole German territory and single federal states are of interest. This article concentrates on Lower Saxony, dealing with the mapping of the spatiotemporal trends of metal accumulation from 1990 to 2005, the spatial patterns of nitrogen accumulation in 2005, and the spatial variability of bioaccumulation due to characteristics of the sampling sites and their surroundings. Materials and methods The bioaccumulation of up to 40 trace elements and nitrogen in mosses was determined according to a Europe-wide harmonised methodology. The according experimental protocol regulates the selection of sampling sites and moss species, the chemical analysis and quality control and the classification of the measured values for mapping spatial patterns. In Lower Saxony all sampling sites were described with regard to topographical and ecological characteristics and several criteria to be fulfilled according to the guideline. Together with the measurements this metadata was combined with other information regarding land use in the surroundings of the sampling sites in the WebGIS MossMet. The spatial structure of the metal bioaccumulation was analysed and modelled by variogram analyses and then mapped by applying different Kriging techniques. Furthermore, multi metal indices (MMI) were derived for both the sampling sites and raster maps with help of percentile statistics: The MMI_1990–2005 was calculated for As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Ti, V and Zn. The statistical association of the metal and nitrogen bioaccumulation, site specific characteristics as well as information on land use and emissions was analysed by bivariate nonparametric correlation analysis, contingency tables and Classification and Regression Trees (CART). Results The results of the quality controlled chemical analyses shows a significant decrease of the metal bioaccumulation in Germany from 1990 to 2000 for all elements but Zn. From 2000 to 2005 a further significant decrease can be stated for Cd, Hg and Pb, to most parts non significant increases can be observed for Cr, Cu, Fe, Sb and Zn. Cr thereby exhibits the highest accumulation in 2005 when compared to the results of 1990, 1995 and 2000. The MMI illustrates the temporal trend of the metal bioaccumulation as a whole: From 1990 to 2000 a continuous significant decrease can be observed. From 2000 to 2005 the median of the MMI increases, again significantly, from 3.4 to 4. The N concentration in mosses in Lower Saxony reaches from 1.1 to 1.9?% in dry mass. High N concentrations were detected in agriculturally intensively used areas. Highly significant bivariate correlations between the metal bioaccumulation and land use in the surroundings of the sampling sites were found reaching from 0.3 to 0.5. Other location criteria with similar correlation coefficients/Cramér’s V are moss species, altitude, distance to the North and Baltic Sea and the distance of the sampling site to the nearest tree crown. N only shows negative correlations to urban land use and the distance to the nearest tree. Exemplified for Sb multivariate correlations were furthermore detected by CART. It could be shown that the Sb bioaccumulation interacts with the moss species and the ratio of agriculture, forests and urban areas around the sampling site. Discussion The decrease of the continuously decrease of heavy metals reflects the improving air quality in the past 15 years. Compared to other environmental monitoring and modelling programmes the moss surveys registered increasing concentrations of toxic metal elements between 1990 and 2005, e.?g. Cr. High Cr loads in mosses were also registered in other European countries like in Switzerland. Further investigations are therefore necessary to investigate whether this is due to different emission conditions or biogenic effects (e.?g. as a result of increasing nitrogen depositions). Contrary to deposition measurements that exhibit a higher temporal resolution the moss surveys provide measurement data on a wide range of elements. Some of these elements are important with regard to human-toxicological aspects (e.?g. As, Al, Hg, Sb, V). Due to its ecotoxicological relevance nitrogen was monitored in the European moss survey 2005 for the first time. Compared to the metals regionally high emissions of nitrogen compounds into the atmosphere can be detected in Lower Saxony. The standardised biomonitoring of atmospheric pollution with mosses is an important link between the technical acquisition of depositions and the accumulation in biological material. To claim that the element concentrations in mosses should correlate to a high degree with measured or modelled depositions is not appropriate since these approaches are considering different biological or physical receptors. Nevertheless, the accumulation of air pollutants in terricolous mosses reflects the degree of air pollution which is permanently deposited and affects the system of plants and soils. The degree of correlation thereby depends on the boundary conditions of the physical processes, like regional and site-specific meteorological conditions within the accumulation period, the vertical and horizontal vegetation structure or land use conditions. Conclusions The moss surveys contribute to the heavy metal and the multi-component-model of CLRTAP because they prove on different spatial scales how air pollution control influences the accumulation of emitted substances in environmental subjects of protection like vegetation incl. arable crops. If environmental monitoring is seen as a continuous task and the applied methodology works well as an early warning system then environmental policy is enabled to act in preventative sense and to pursue unexpected developments. No other environmental monitoring programme provides such a wide range of ecotoxicologically relevant elements measured as spatially dense as the case for the moss surveys. The spatial distribution of environmental information is an essential criterion for their usability in terms of political measures for the federal states and the federation. Recommendations and perspectives Heavy Metals in Mosses Surveys are a positive example for environmental monitoring activities reaching across three spatial and administrative levels: regional (e.?g. federal state or natural landscape), nation wide (e.?g. Germany) and continental (e.?g. Europe). In Germany the harmonised and quality controlled moss data are made available via a WebGIS portal. Therefore the moss data may easily be accessed for environmental monitoring purposes and the control of environmental political actions. Hence, the continuous task of environmental monitoring can be met and carried on in the future.     

Application of a temperature-dependent von Bertalanffy growth model to bullhead (Cottus gobio)

The most studied and commonly applied model of fish growth is the von Bertalanffy model. However, this model does not take water temperature into account, which is one of the most important environmental factors affecting the life cycle of fish, as many physiological processes that determine growth, e.g. metabolic rate and oxygen supply, are directly influenced by temperature. In the present study we propose a version of the von Bertalanffy growth model that includes mean annual water temperatures by correlating the growth coefficient, k, explicitly and the asymptotic length, L_∞, implicitly to water temperature. All relationships include parameters with an obvious biological relevance that makes them easier to identify. The model is used to fit growth data of bullhead (Cottus gobio) at different locations in the Bez River network (Drme, France). We show that temperature explains much of the growth variability at the different sampling sites of the network.     

NOx- und NO2-Konzentrationen

It has been confirmed that the NO_x-concentration in air is highest over industrial areas and that it decreases by more than 75%, parallel to traffic density, over urban areas as related to forested areas. A significant correlation excists between NO₂-concentration and the parameters of “traffic density,” followed by “road density” and “number of inhabitants/km²” in urban areas. No positive correlation was found with the number of “registered cars” and the parameters of “land use”. In forested areas, the traffic density correlated with the NO₂-concentration, but the correlation was not significant. The other parameters had no positive correlation with NO₂-concentration. In forest, urban- and industrial-areas, the NO_x-concentration in the air had a fairly constant ratio to traffic density.     

Improvements in anisotropic models of single tree effects in Cartesian coordinates

For anisotropic density functions of e.g. fruit or leaf dispersal, most mathematical research is only done in polar coordinates. However, in software solutions aiming to derive inverse models for real world dispersal data, Cartesian coordinates may be preferred for several reasons. Thus, we introduce an anisotropic model in Cartesian coordinates following the approach in Wälder et al. (2009) with the von Mises approach. By introducing a correction factor, we thereby consider the fundamental attribute, that the integral over a density function with respect to the Cartesian coordinates has to be equal 1. It may have been overlooked so far that guaranteeing for this attribute needs different approaches whether working in polar or Cartesian coordinates. One result is that our approach can be used also for other anisotropic models rather than models from the von Mises approach.     

Gesellschaftlicher Wandel und nachhaltige Entwicklung

Background, aim, and scope In order to assess the effects of social change from the point of view of sustainability the article considers demographic, social and cultural developments. Taking the sectors ‘Building and Housing’, ‘Infrastructure Systems’ and ‘Mobility and Transport’ as examples, it outlines visible trends and describes the possible scope for actions and instruments to achieving sustainably social change. Main features Demographic change, social-cultural change, extent of social change in Schleswig-Holstein, the sectors ‘Building and Housing’, ‘Infrastructure Systems’, and ‘Mobility and Transport’, environmental impact of social change. Results From the point of view of sustainability the essential kriterion is not so much the size of the population in absolute terms as consumer habits, which are subject to numerous influences. One important characteristic of the evolution from the industrial to the post-industrial society is a pluralization of lifestyles, with the associated consumption patterns, in sectors relevant to sustainability. Discussion A diversity of technologies is available for reducing the environmental burden. They influence thermal insulation of buildings, electricity and water sparing, domestic appliances and fuel-efficient vehicles with controlled catalytic converters. The use of these technologies rather depends on cultural and economic trends as well as political decisions than on technical feasibility. Conclusions If no actions occur to counteract them, the effects of social change on the environment will be immense. There will be no ‘demographic benefit’, and neither can the sustainability balance of the postmaterialists be considered more favourable than that of people with a materialistic attitude. Recommendations and perspectives Political groups should address the problems raised by social change, analyze their effects and initiate a comprehensive social process of dialogue and agreement with the players concerned. Quick solutions are not to be expected, since the complexity of the subject, the different interests involved and the large numbers of issues to be regulated require perseverance and a time frame that goes beyond a single legislative period.     

Schwermetalle und organische Umweltchemikalien in Rehwild (Capreolus capreolus L.) aus Forst- und Agrarstandorten

The roe deer indicates the contamination of ecosystems with environmental chemicals. The influence of land use on the contamination of five different forest and agricultural ecosystems in Rheinland Pfalz was proven. The cadmium and lead content was measured in renal tissue of the roe deer. The organic chemicals PCB, α-HCH, Lindan, DDT, and DDE were investigated in kidneys and liver and correlated to adipose tissue. The following results have been obtained: Lead: The Pb-contamination was generally low in all ecosystems investigated. Cadmium: The Cd-values showed an area-dependend contamination of the organs. The data of the test organs from the forest sites and the semi-agricultural area were 2–4 times higher than the ZEBS-limit. The contamination of the animals corresponded to the wet deposition of Cd in the regions. σPCB: The PCB-results indicated a relativly high contamination of the ecosystems. The PCB-ZEBS-limit for the interior organs was surpassed in all areas.α-HCH, γ-HCH (Lindan): The uniformly low values of the HCH-group indicated that these compounds were probably not of ecotoxicological significance in the agricultural and forest regions.DDT, DDE: The results obtained showed a low background contamination in all ecosystems investigated. Areas with former high DDT-applications revealed higher values of DDE in the tissues. ZEBS: Central institution for the evaluation of chemicals in the environment (Bundesgesundheitsamt)     

Biodiversität mariner Organismen: Entstehung — Umfang — Gefährdung

Hintergrund und Ziel

Seit der Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung in Rio de Janeiro im Jahre 1992 ist der Begriff ‘Biodiversität’ verstärkt in den allgemeinen Sprachgebrauch eingegangen. Benennt ‘Biodiversität’ zunächst nichts anderes als die Vielfalt des Lebens, so ist der Begriff in der öffentlichen Diskussion doch meist mit der Sorge um bedrohte Lebensräume und Abnahme der Artenvielfalt verbunden. Die erfolgreiche Umsetzung von Schutzmaßnahmen erfordert genaue Kenntnisse über Umfang und Verteilung der Biodiversität.

Schwerpunkte

Dieser Beitrag stellt Aspekte der marinen Biodiversität vor. Im Vordergrund steht die Darstellung der vergangenen und gegenwärtigen Artenvielfalt. Weiterhin werden die Gefährdung dieser Vielfalt durch den Menschen angesprochen sowie das Problem der Wissenschaft, mit dem Zeitschritt der Zerstörung mitzuhalten bzw. besser noch ihr zuvor zu kommen.

Ergebnisse

Im Vergleich zu den terrestrischen Lebensräumen ist unser Wissen über die Vielfalt im Meer noch immer unzureichend. Über 70% der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt, doch die bisher bekannte Organismenwelt im Meer macht nur 15% der erfassten Artenvielfalt aus. Biodiversität ist jedoch nicht einfach mit Artenvielfalt gleichzusetzen. Sie reicht von der genetischen Vielfalt über Arten- und Bauplandiversität bis hin zur Vielfalt der Ökosysteme.

Diskussion

Vor diesem Hintergrund, insbesondere im Hinblick auf die Vielfalt der Organisationstypen, ist das Meer sehr viel reichhaltiger als das Land. Biodiversität besitzt auch eine zeitliche Komponente. Im Zuge der Evolution sind Arten entstanden und ausgestorben, wobei insbesondere marine Organismen das gegenwärtige Bild der Erde nachhaltig geprägt haben. Marine Lebensräume, wie z.B. Korallenriffe oder Mangrovewälder, sind schon für sich allein schützenswert; doch müssen wir uns gegenwärtig machen, dass eine hohe Biodiversität auch für unser eigenes Dasein auf vielfältigen Ebenen — z.B. Ernährung, Gesundheit, Klima, Küstenschutz — von lebenswichtiger Bedeutung ist.

Schlussfolgerungen

Die gegenwärtige Biodiversität ist ein Produkt der Evolution und unterliegt somit natürlichen Schwankungen. Doch gerade in marinen Systemen wird am Beispiel der Fischerei oder der Verbauung von Küstenlinien deutlich, wie sehr der Mensch in dieses natürlich Gefüge eingreift und es binnen kürzester Zeit — über das Maß natürlicher Prozesse hinaus — geschafft hat, die Artenvielfalt ernsthaft zu bedrohen. Bis zu welchem Grad die Zerstörung der marinen Ökosysteme noch fortschreiten kann, ohne deren weiteres Funktionieren zum Erliegen zu bringen, ist eine bisher ungeklärte Frage.

Ausblick

Nach unseren gegenwärtigen Erkenntnissen erscheint es dringend notwendig, diese Frage möglichst bald zu klären, und es ist Aufgabe von Wissenschaft und Politik, angemessene Antworten zu formulieren.     

A mechanistic model of a mutualism and its ecological and evolutionary dynamics

This paper develops a mechanistic model of the population dynamics and coevolution of mutualisms such as plants and mycorrhizae where one resource is traded for another resource. The mechanism is based on limiting resources and is derived from von Liebig's law of the minimum [von Liebig, 1862, Die Chemie in irher Anwendung auf Agricultur und Physiologie. 7e ed. F. Vieweg und Sohn, Braunschwieg] and Tilman's R* [Tilman, D., 1980, Resources: a graphical-mechanistic approach to competition and predation, Am. Nat. 116, 362–393]. The model makes several predictions: (1) resource limitations cause mutualisms to have stable population dynamics, despite previous predictions to the contrary, (2) game-theory based models of evolution show that potential coevolving mutualists face a Prisoner's-dilemma-like paradox, rigorously confirming the intuition of many people and (3) a mechanism which enforces fair-trade will eliminate the dilemma and a mutualism will evolve, despite having no gene flow between the species.