Ökologische, ökonomische und rechtliche umweltbewertung

This article provides information about a Series dealing with Integrated environmental assessment’ (IEA). We describe the development and the structure of a ‘Graduiertenkolleg’ (interdisciplinary course of study) which has been established in two phases at the University of Kiel from 1996–2002. The central terms ‘integration’, ‘environment’, and ‘assessment’ are discussed. Here, we take a special look at the chances and problems of interdisciplinary cooperation and communication (ecosystem research, jurisprudence, economics, social sciences) with regard to the general subject of IEA as a subject of research and schooling. Finally, we give a short review about the articles in the series.     

Mapping carbon sequestration in forests at the regional scale - a climate biomonitoring approach by example of Germany

Background

The United Nations Framework Convention on Climate Change recognizes carbon (C) fixation in forests as an important contribution for the reduction of atmospheric pollution in terms of greenhouse gases. Spatial differentiation of C sequestration in forests either at the national or at the regional scale is therefore needed for forest planning purposes. Hence, within the framework of the Forest Focus regulation, the aim of this investigation was to statistically analyse factors influencing the C fixation and to use the corresponding associations in terms of a predictive mapping approach at the regional scale by example of the German federal state North Rhine-Westphalia. The results of the methodical scheme outlined in this article should be compared with an already-published approach applied to the same data which were used in the investigation at hand.

Methods

Site-specific data on C sequestration in humus, forest trees/dead wood and soil from two forest monitoring networks were intersected with available surface information on topography, soil, climate and forestal growing areas and districts. Next, the association between the C sequestration and the influence factors were examined and modelled by linear regression analyses. The resulting regression equations were applied on the surface data to predicatively map the C sequestration for the entire study area.

Results

The computations yielded an estimation of 146.7 mio t C sequestered in the forests of North Rhine-Westphalia corresponding to 168.6 t/ha. The calculated values correspond well to according specifications given by the literature. Furthermore, the results are almost identical to those of another pilot study where a different statistical methodology was applied on the same database. Nevertheless, the underlying regression models contribute only a low degree of explanation to the overall variance of the C fixation. This might mainly be due to data quality aspects and missing influence factors in the analyses.

Discussion

In another study, an alternative approach was introduced to map the spatial differentiation of C sequestration in North Rhine-Westphalia based on the combination of geostatistics, decision tree analyses and GIS techniques. As a result, the overall mean of C sequestration amounted for 177 t C/ha which is 8.4 t C/ha higher than what was calculated in the study at hand and 14 t C/ha below the roughly guessed German-wide mean of 191 t C/ha.

Conclusions

The surface estimations of C pools in living forest trees/dead wood, the humus layer and the mineral soil enable to map the fixation of the greenhouse gas CO₂ in forests at the regional scale. The estimations that were derived in this study are in good accordance with estimations based on techniques which, in contrast, did neither allow for spatial differentiation nor for mapping. The presented approach should be validated by application of other statistical techniques and by use of German wide inventory data. Furthermore, C sequestration should be modelled according to different climate change scenarios by combining statistical methods and dynamic modelling.     

Using phytoremediation technologies to upgrade waste water treatment in Europe

Goal, Scope and Background One of the burning problems of our industrial society is the high consumption of water and the high demand for clean drinking water. Numerous approaches have been taken to reduce water consumption, but in the long run it seems only possible to recycle waste water into high quality water. It seems timely to discuss alternative water remediation technologies that are fit for industrial as well as less developed countries to ensure a high quality of drinking water throughout Europe. Main Features The present paper discusses a range of phytoremediation technologies to be applied in a modular approach to integrate and improve the performance of existing wastewater treatment, especially towards the emerging micro pollutants, i.e. organic chemicals and pharmaceuticals. This topic is of global relevance for the EU. Results Existing technologies for waste water treatment do not sufficiently address increasing pollution situation, especially with the growing use of organic pollutants in the private household and health sector. Although some crude chemical approaches exist, such as advanced oxidation steps, most waste water treatment plants will not be able to adopt them. The same is true for membrane technologies. Discussion Incredible progress has been made during recent years, thus providing us with membranes of longevity and stability and, at the same time, high filtration capacity. However, these systems are expensive and delicate in operation, so that the majority of communities will not be able to afford them. Combinations of different phytoremediation technologies seem to be most promising to solve this burning problem. Conclusions To quantify the occurrence and the distribution of micropollutants, to evaluate their effects, and to prevent them from passing through wastewater collection and treatment systems into rivers, lakes and ground water bodies represents an urgent task for applied environmental sciences in the coming years. Recommendations Public acceptance of green technologies is generally higher than that of industrial processes. The EU should stimulate research to upgrade existing waste water treatment by implementing phytoremediation modules and demonstrating their reliability to the public.     

Exposure to chlorinated acetic acids: Responses of peroxidase and glutathione S-transferase activity in pine needles

During long-term exposure of pine (Pinus sylvestris L.) seedlings to trichloro- and monochloroacetic acids via root uptake or acid mist treatments, both substances were removed from the plant tissues by metabolic activity. None of the treated plants exhibited visible stress symptoms at the concentrations used. In addition, the exposure to both substances led to dramatic changes in the activity of xenobiotic detoxification enzymes (peroxidase and gluthatione S-transferase) in the needles of the plants.     

Determination of trichloroacetic acid in environmental studies using carbon 14 and chlorine 36

Radioisotopes carbon 14 and chlorine 36 were used to elucidate the environmental role of trichloroacetic acid (TCA) formerly taken to be a herbicide and a secondary air pollutant with phytotoxic effects. However, use of ¹⁴C-labeling posed again known analytical problems, especially in TCA extraction from the sample matrix. Therefore—after evaluation of available methods—a new procedure using decarboxylation of [1,2-¹⁴C]TCA combined with extraction of the resultant ¹⁴C-chloroform with a non-polar solvent and its subsequent radiometric measurement was developed. The method solves previous difficulties and permits an easy determination of amounts between 0.4 and 20 kBq (10–500 ng g⁻¹) of carrier-less [1,2-¹⁴C]TCA in samples from environmental investigations. The procedure is, however, not suitable for direct [³⁶Cl]TCA determination in chlorination studies with ³⁶Cl. Because TCA might be microbially degraded in soil during extraction and sample storage and its extraction from soil or needles is never complete, the decarboxylation method—i.e. 2 h TCA decomposition to chloroform and CO₂ in aqueous solution or suspension in closed vial at 90 °C and pH 4.6 with subsequent CHCl₃ extraction—is recommended here, estimated V < 7%. Moreover, the influence of pH and temperature on the decarboxylation of TCA in aqueous solution was studied in a broad range and its environmental relevance is shown in the case of TCA decarboxylation in spruce needles which takes place also at ambient temperatures and might amount more than 10–20% after a growing season. A study of TCA distribution in spruce needles after below-ground uptake shows the highest uptake rate into current needles which have, however, a lower TCA content than older needle-year classes, TCA biodegradation in forest soil leads predominatingly to CO₂.     

GIS-gestützte Analysen zur m?glichen Gef?hrdung von Naturschutzgebieten durch den Anbau gentechnisch ver?nderter Kulturpflanzen

Zusammenfassung   Hintergrund, Ziel und Zweck Der kommerzielle Einsatz von gentechnisch ver?nderten Kulturpflanzen (GVP) wurde bislang fokussiert auf Fragen zur Koexistenz mit der konventionellen und ?kologischen Landwirtschaft sowie auf m?gliche Beeintr?chtigungen der menschlichen Gesundheit. Gro?r?umige Untersuchungen zu m?glichen direkten, indirekten und langfristigen Wirkungen auf natürliche ?kosysteme fehlen dagegen bisher. Besonders der Wahrung der Integrit?t von Naturschutzgebieten kommt hierbei eine besondere Rolle zu. Nach § 23 Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG) dienen Naturschutzgebiete dem besonderen Schutz von Natur und Landschaft, indem dort existierende Biotope wild lebender Arten erhalten, entwickelt und wiederhergestellt werden sollen. Der § 34a BNatSchG setzt die Nutzung von gentechnisch ver?nderte Organismen (GVO) mit Projekten gleich, welche im Falle von Gebieten gemeinschaftlicher Bedeutung (Flora-Fauna-Habitate, FFH) oder europ?ischer Vogelschutzgebiete auf ihre Vertr?glichkeit mit dem Schutzzweck zu überprüfen sind. Vor diesem Hintergrund wurde in dem vom Bundesamt für Naturschutz (BfN) gef?rderten Projekt „Abstandregelungen beim Anbau gentechnisch ver?nderter Pflanzen in der N?he von Schutzgebieten“ untersucht, inwiefern Schutzgebiete von den Auswirkungen des Anbaus gentechnisch ver?nderter Pflanzen betroffen w?ren und welche Ma?nahmen die Auswirkungen eines GVP-Anbaus mindern oder verhindern k?nnten. Im Mittelpunkt der hier vorgestellten Arbeit wird beispielhaft gezeigt, wie sich die Einführung unterschiedlicher Abstandregelungen zum Schutz der Artendiversit?t in Naturschutzgebieten auf den potenziellen Anbau von herbizidresistentem Raps (HR-Raps) und insektizidresistentem Mais (B. t.-Mais) in Nachbarschaft von Schutzgebieten fl?chenhaft auswirken würde. Zum anderen wird eine Methodik vorgestellt, die es erm?glicht, die in Deutschland eingerichteten Naturschutzgebiete in Gruppen unterschiedlicher Gef?hrdung durch einen GVP-Anbau einzuteilen, um daraus repr?sentative Schutzgebiete für eine Modellierung der GVP-Ausbreitung zu bestimmen und so den Aufwand für eine Absch?tzung der ?kologischen Folgen eines GVP-Anbaus zu reduzieren. Material und Methoden In Deutschland gab es nach Angaben des Bundesamtes für Naturschutz (Stand: 2003) etwa 7.400 Naturschutzgebiete (NSG), die einen Anteil von 3 % der Landesfl?che einnahmen. In einem geografischen Informationssystem (GIS) wurden die Schutzgebietsgeometrien mit Landnutzungsdaten aus „CORINE Landcover“ und Regionalstatistiken zur Anbaufl?che von Raps und Mais sowie einer ?kologischen Raumgliederung Deutschlands zusammengeführt. In einem ersten Schritt wurde untersucht, wie viel Agrarnutzungsfl?che bei unterschiedlichen Sicherheitsabst?nden um die NSG bundesweit und je Bundesland für einen Anbau von B. t.-Mais bzw. HR-Raps noch zur Verfügung st?nde. In einem zweiten Schritt wurden die NSG mithilfe komplexer GIS-Analysen zu Schutzgebietstypen aggregiert, die die Variationen in der Anbaudichte von Raps oder Mais in Nachbarschaft zu den Schutzgebieten sowie deren unterschiedliche Geometrie und deren landschafts?kologische Situation widerspiegeln. Dafür wurde zun?chst ein Geometriefaktor (GF) berechnet, der den Umfang eines NSG in Beziehung zu seiner Fl?che als Ma? für die relative Kontaktzone und Eindringtiefe der Wirkungen von GVP, z. B. über den Pollenflug, setzt. Die Intensit?t der GVO-Wirkungen wurde mithilfe eines Anbaudichtefaktors (AF) ausgedrückt, der auf Basis von kreisbezogenen Agrarstatistiken den Anteil der kulturartenspezifischen Nutzung innerhalb einer Zone von 4.000 m (Rapsanbau) bzw. 800 m (Maisanbau) um das NSG beschreibt. Ergebnisse Bereits bei einer Sicherheitszone von 500 m um die NSG verblieben nach den durchgeführten Berechnungen noch über 94 % der Agrarfl?chen in Deutschland für einen Anbau von GVP, bei 1.000 m Sicherheitsabstand noch etwa 88 %, bei 4.000 m dagegen nur noch etwa die H?lfte. Die Kombination von GF und AF ergaben für jede Kulturart nach Aufteilung in jeweils drei Perzentilklassen neun Modellraumklassen (MRK), die die Variation von Gebietsgeometrie und Anbaudichte in der Umgebung des NSG widerspiegeln. Am meisten gef?hrdet waren demnach solche NSG, die eine gro?e Kontaktfl?che (+ GF) und eine hohe Anbaudichte (+ AF) in ihrer Umgebung aufwiesen. NSG mit dieser Konstellation hatten einen Anteil von 7 % und nahmen eine Fl?che von 0,4 % aller NSG ein. Die Verschneidung mit der ?kologischen Raumgliederung ergab, dass mehr als ein Drittel dieser NSG in Raumklasse 62 vorkamen. Alle NSG, in deren Umgebung die h?chsten AF zu finden waren, machten jeweils bei beiden Kulturarten zusammen etwa 60 % aller NSG aus. Diskussion Der technische Ablauf der Klassenbildung erfolgte nach einem Regel basierten hierarchischen System und wurde durch Implementierung eigener GIS-Prozeduren teilautomatisiert, sodass zus?tzliche Auswertungen mit anderen GV-Pflanzen, anderen Schutzgebietstypen oder anderen Abstandsweiten ohne erheblichen Arbeitsaufwand m?glich sind. Die mithilfe von GIS-Operationen und h?ufigkeitsstatistischen Methoden berechneten Schutzgebietskategorien halfen dabei, die Folgen eines GVP-Anbaus hinsichtlich einer m?glichen Gef?hrdung von Schutzgebieten in der Anbaupraxis abzusch?tzen. Schlussfolgerungen Die Festlegung von Sicherheitsabst?nden um Schutzgebiete sollte in Abh?ngigkeit von den Ausbreitungsmechanismen und den spezifischen Wirkungen der jeweiligen Kulturart auf Nicht-Zielorganismen sowie von den jeweils vorkommenden Schutzgütern erfolgen. Besonders GV-Raps birgt aufgrund von Wildpopulationen und aufgrund seiner Kreuzungspartner ein Risiko für ein Einwandern in Schutzgebiete, selbst bei der Einrichtung von Sicherheitszonen, insbesondere wenn dort oder in den Schutzgebieten selbst konventioneller Raps angebaut wird. Dies gilt umso mehr, solange es nicht gelingt, das Saatgut frei von Verunreinigungen mit gentechnisch ver?ndertem Saatgut zu halten. Empfehlungen und Ausblick Zur Konkretisierung und Umsetzung von Ma?nahmen für die Reduzierung von Auswirkungen eines GVP-Anbaus auf Schutzgebiete bedarf es eines politischen und gesellschaftlichen Diskurses zur Abw?gung, welche der Ver?nderungen der Schutzgüter toleriert werden k?nnen, bevor es zu einem kommerziellen Anbau von GVP kommt. Hierfür sind wissenschaftliche Studien notwendig, die auf empirischer und modelltheoretischer Grundlage die Ausbreitungsreichweite von gentechnisch ver?nderten Pollen und die Verbreitung und Wirkung von in die Umwelt eingetragenen Transgenen und freigesetzten Toxinen absch?tzen. Die überwachung der GVP-Anbaufl?chen sollte im Rahmen des nach EU-Richtlinie 2001/18/EC zur Freisetzung von GVO geforderten fallspezifischen und allgemeinen Monitorings erfolgen. Die für die Planung eines Monitorings sowie für die Analyse und Bewertung der Umweltwirkungen notwendigen Informationen sowie die Monitoringdaten selbst sollten in einem webbasierten Geoinformationssystem (WebGIS) integriert und ausgewertet werden. Otto Fr?nzle zum 75. Geburtstag gewidmet