(Persistent) Organic pollutants in Germany: results from a pilot study within the 2015 moss survey

Background

Since 1990, every 5 years, moss sampling is conducted within the European moss monitoring programme to assess the atmospheric deposition of airborne pollutants. Besides many other countries, Germany takes regularly part at these evaluations. Within the European moss monitoring 2015, more than 400 moss samples across Germany were taken according to a harmonized methodology for the assessment heavy metal and nitrogen input. In a pilot programme, eight of these sites were chosen for additional investigations on a broad range of organic contaminants to evaluate their accumulation in moss and thereby their presence in atmospheric deposition in Germany. Target compound classes comprised polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated dibenzodioxins and –furans (PCDD/F), dioxin-like and non-dioxin-like polychlorinated biphenyls (dl-PCB, ndl-PCB), polyfluorinated alkyl substances, classical flame retardants as well as emerging chlorinated and brominated flame retardants. In total, 120 target compounds were analysed. For some analytes, comparisons of accumulation in moss and tree leave samples were possible.

Results

Except for certain flame retardants, PFAS, and ndl-PCB, substances of all other compound classes could be quantified in moss samples of all sites. Concentrations were highest for PAH (40–268 ng g^?1) followed by emerging flame retardants (0.5–7.7 ng g^?1), polybrominated diphenyl ethers (PBDE; 0.3–3.7 ng g^?1), hexabromocyclododecane (HBCD; 0.3–1.2 ng g^?1), dl-PCB (0.04–0.4 ng g^?1) and PCDD/F (0.008–0.06 ng g^?1).

Conclusions

Results show the widespread atmospheric distribution and deposition of organic contaminants across Germany as well as the suitability of moss as bioaccumulation monitor for most of these compound classes. Compared to nearby tree leaf samples, accumulation potential of moss appeared to be higher for pollutants of high octanol–air partition coefficient (K_OA) and octanol–water partition coefficient (K_OW).

     

Modelling spatial patterns of correlations between concentrations of heavy metals in mosses and atmospheric deposition in 2010 across Europe

Background

This paper aims to investigate the correlations between the concentrations of nine heavy metals in moss and atmospheric deposition within ecological land classes covering Europe. Additionally, it is examined to what extent the statistical relations are affected by the land use around the moss sampling sites. Based on moss data collected in 2010/2011 throughout Europe and data on total atmospheric deposition modelled by two chemical transport models (EMEP MSC-E, LOTOS-EUROS), correlation coefficients between concentrations of heavy metals in moss and in modelled atmospheric deposition were specified for spatial subsamples defined by ecological land classes of Europe (ELCE) as a spatial reference system. Linear discriminant analysis (LDA) and logistic regression (LR) were then used to separate moss sampling sites regarding their contribution to the strength of correlation considering the areal percentage of urban, agricultural and forestry land use around the sampling location. After verification LDA models by LR, LDA models were used to transform spatial information on the land use to maps of potential correlation levels, applicable for future network planning in the European Moss Survey.

Results

Correlations between concentrations of heavy metals in moss and in modelled atmospheric deposition were found to be specific for elements and ELCE units. Land use around the sampling sites mainly influences the correlation level. Small radiuses around the sampling sites examined (5 km) are more relevant for Cd, Cu, Ni, and Zn, while the areal percentage of urban and agricultural land use within large radiuses (75–100 km) is more relevant for As, Cr, Hg, Pb, and V. Most valid LDA models pattern with error rates of <?40% were found for As, Cr, Cu, Hg, Pb, and V. Land use-dependent predictions of spatial patterns split up Europe into investigation areas revealing potentially high (=?above-average) or low (=?below-average) correlation coefficients.

Conclusions

LDA is an eligible method identifying and ranking boundary conditions of correlations between atmospheric deposition and respective concentrations of heavy metals in moss and related mapping considering the influence of the land use around moss sampling sites.

     

Are there threshold numbers for protected forests?

Maintenance of forests biodiversity is intimately related on the one hand to the species and community-related ecological needs of flora and fauna living in the forest and on the other hand the disturbance regimes of the specific forest type. Populations of plants and animals need minimum biotopes for their ontogeny; for assuring their survival they depend on a minimum of connected suitable areas. Specific traits of forest types are based upon different disturbance regimes, ranging from small-scale internal processes (e.g. regeneration, growth, senescence, mortality, gap dynamics) generating normal forest cycles (i.e. regular sequences, e.g. regeneration, optimum, decay phases) to potentially chaotic and large-scale, frequently external, disturbances, e.g. fire, landslides, or beetle attacks. Forest protection may meet the needs of these very different demands by varied protected area networks going from small (>100 ha), medium (1000 ha) to large-scale reserves (National Parks, several thousands of ha). According to this triple protection concept not only graduated threshold numbers, but also threshold sizes and threshold areas for forest protection must be defined. To realize this concept the regional and local conditions (forest area, forest cover percentage, forest composition, socio-economic targets) must always be taken in consideration.     

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     

SoilTrEC: a global initiative on critical zone research and integration

Soil is a complex natural resource that is considered non-renewable in policy frameworks, and it plays a key role in maintaining a variety of ecosystem services (ES) and life-sustaining material cycles within the Earth's Critical Zone (CZ). However, currently, the ability of soil to deliver these services is being drastically reduced in many locations, and global loss of soil ecosystem services is estimated to increase each year as a result of many different threats, such as erosion and soil carbon loss. The European Union Thematic Strategy for Soil Protection alerts policy makers of the need to protect soil and proposes measures to mitigate soil degradation. In this context, the European Commission-funded research project on Soil Transformations in European Catchments (SoilTrEC) aims to quantify the processes that deliver soil ecosystem services in the Earth's Critical Zone and to quantify the impacts of environmental change on key soil functions. This is achieved by integrating the research results into decision-support tools and applying methods of economic valuation to soil ecosystem services. In this paper, we provide an overview of the SoilTrEC project, its organization, partnerships and implementation.     

Pilot-study on GIS-based risk modelling of a climate warming induced tertian malaria outbreak in Lower Saxony (Germany)

This project was designed to establish baseline aquatic biological community structure and physical habitat conditions in select wadeable streams within the California Central Valley. A secondary objective was to evaluate possible water quality differences between site types and seasons. Two agricultural and two urban streams were monitored in spring and fall for two consecutive years beginning in the fall of 2002. Bioassessment sampling was conducted according to modified US EPA methods. The study included physical habitat assessment, water and sediment chemical analysis and characterization of the benthic macroinvertebrate community at each site. Water samples were analyzed for selected organophosphate insecticides, pyrethroid insecticides and herbicides, while sediment samples were analyzed for pyrethroids only. All sites had substantial physical habitat and water quality impairments, and the absence of pollution intolerant macroinvertebrates and dominance of pollution tolerant macroinvertebrates were indications of biological impairment. Due to the limited amount of water quality and pesticide data collected, it was not possible to definitively demonstrate any cause and effect relationships between BMI community structure and water quality or pesticide concentrations. Though most physical habitat parameters were similar and EPA physical habitat scores revealed on no significant differences between urban and agricultural sites (P? = ?0.290), a significant difference was seen in substrate embeddedness (P? = ?0.020). Dominant taxon found at all sites were chironomids, amphipods, and oligochaetes. Benthic macroinvertebrate metrics were significantly different between both types of sites (P? = ?0.001) and seasons (P? = ?0.014). Chironomidae taxon and those of the functional feeding group scrapers were greater at urban sites, while those of the functional feeding group filterers were greater at agricultural sites. In addition, the metric groups Chironomidae, filterers, and predators were found in greater numbers in the spring than the fall.     

Korrelation meteorologischer und pflanzenphänologischer Indikatoren des Klimawandels

Goal and Scope

While the rise of the air temperature as part of the global climatic change seems to be widely assured, questions about the effects of this phenomenon in ecological systems get more and more interesting. In this sense this article shows by the example of monitoring sites in Baden-Württemberg the correlation of air temperature measurements with data on the phenology of selected plants.

Methods

To this end the data on air remperature and plant phenology which are gathered from spatial dislocated measurement sites were correlated by prior application of Kriging interpolation. In addition, geostatistics are ssed to analyze and cartographically depict the spatial structure of the phenology in spring and in summer.

Results and Conclusion

The statistical analysis reveals a significant relationship between the rising air temperature and the early beginning phenological phases like blooming or fruit maturation. From 1991 to 1999 spring time as indicated by phenological phases begins up to 14 days earlier than from 1961 to 1990. As proved by geostatistics, this holds true for the whole territory of Baden-Württemberg.

Recommendation and Perspective

The effects of the rise of air temperature should be examined not only by monitoring of biological individuals as for example plants, but on ecosystem level, too. The German ecosystem research and the environmental monitoring should be supplemented by the study of the effects of the climatic change in ecosystems. Because air temperature and humidity have a great influence on the temporal and spatial distribution of pathogen carriers (vectors) and pathogens mapping of the determinants of vector and pathogen distribution in space and time should be done in order to identify hot spots for risk assessment and further detailed epidemiological studies.