Site specific growth of metal catalyzed silica nanowires for biological and chemical sensing

In this research the integration of nanostructures and micro-scale devices was investigated using silica nanowires to develop a simple yet robust nanomanufacturing technique for improving the detection parameters of chemical and biological sensors. This has been achieved with the use of a dielectric barrier layer, to restrict nanowire growth to site-specific locations which has removed the need for post growth processing, by making it possible to place nanostructures on pre-pattern substrates. Nanowires were synthesized using the Vapor-Liquid-Solid growth method. Process parameters (temperature and time) and manufacturing aspects (structural integrity and biocompatibility) were investigated. Silica nanowires were observed experimentally to determine how their physical and chemical properties could be tuned for integration into existing sensing structures. Growth kinetic experiments performed using gold and palladium catalysts at 1050°C for 60 minutes in an open-tube furnace yielded dense and consistent silica nanowire growth. This consistent growth led to the development of growth model fitting, through use of the Maximum Likelihood Estimation (MLE) and Bayesian hierarchical modeling. Transmission electron microscopy studies revealed the nanowires to be amorphous and X-ray diffraction confirmed the composition to be SiO2 . Silica nanowires were monitored in epithelial breast cancer media using Impedance spectroscopy, to test biocompatibility, due to potential in vivo use as a diagnostic aid. It was found that palladium catalyzed silica nanowires were toxic to breast cancer cells, however, nanowires were inert at 1μg/mL concentrations. Additionally a method for direct nanowire integration was developed that allowed for silica nanowires to be grown directly into interdigitated sensing structures. This technique eliminates the need for physical nanowire transfer thus preserving nanowire structure and performance integrity and further reduces fabrication cost. Successful nanowire integration was physically verified using Scanning electron microscopy and confirmed electrically using Electrochemical Impedance Spectroscopy of immobilized Prostate Specific Antigens (PSA). The experiments performed above serve as a guideline to addressing the metallurgic challenges in nanoscale integration of materials with varying composition and to understanding the effects of nanomaterials on biological structures that come in contact with the human body.

Stable carbon and oxygen isotope record of foraminifera from DSDP Hole 30-289

Sediments accumulate on the sea floor far from land with rates of a few millimetres to a few centimetres per thousand years. Sediments have been accumulating under broadly similar conditions, subject to similar controls, for the past 10 8 years and more. In principle we should be able to study the distribution of climatic variance with frequencies over the range 10**-3 to 10**-7 cycles per year with comparative ease. In fact, nearly all our data are heavily weighted towards the youngest part of the geological record. We study frequencies higher than 10**-4 cycles per year in the special case of a Pleistocene interglacial (the present one), and frequencies in the range 10**-4 to 10**-5 cycles per year in the special case of an ice-age. Although these may be of more direct interest to mankind than earlier periods, it may well be that we will understand the causes of climatic variability better if we can examine their operation over a longer time scale and under different boundary conditions. Rather than review the available data, I have collected some new data to show the feasibility of gathering a data base for examining climatic variability without this usual bias toward the recent. The most widely applicable tool for extracting climatic information from deep-sea sediments is oxygen isotope analysis of calcium carbonate microfossils. It is generally possible to select from the sediment both specimens of benthonic Foraminifera (that is, those that lived in ocean deep water at the sediment-water interface) and specimens of planktonic Foraminifera (that is, those that lived and formed their shells near the ocean surface, and fell to the sediment after death). Thus one is able to monitor conditions at the surface and at depth at simultaneous moments in the geological past. The necessity to analyse calcareous microfossils restricts investigation to calcareous sediments, but even with this restriction in sediment type there are many factors governing the rate of sediment accumulation. On a global scale, sediment accumulates so as to balance the input to the oceans from continental erosion. Even when averaged globally, long-term accumulation rates have varied by almost a factor of ten (Davies et al., 1977, doi:10.1126/science.197.4298.53). At the regional scale, surface productivity and deep-water physical and chemical conditions also affect the sediment accumulation rate. Since all these are susceptible to variation and may well vary in response to climatic change as well as other factors, it is extremely hazardous to attempt to express any climatic variable as a function of time on the basis of measurements originally made as a function of depth in sediment. Although time has been used as a basis for plotting Figs. i-8, these should be regarded as freehand sketches of climatic history rather than as time-series plots.

Synthesis, characterization and chemical vapor deposition of transition metal di(tert-butyl)amido compounds

Although the transition metal chemistry of many dialkylamido ligands has been well studied, the chemistry of the bulky di(tert-butyl)amido ligand has been largely overlooked. The di(tert-butyl)amido ligand is well suited for synthesizing transition metal compounds with low coordination numbers; such compounds may exhibit interesting structural, physical, and chemical properties. Di(tert-butyl)amido complexes of transition metals are expected to exhibit high volatilities and low decomposition temperatures, thus making them well suited for the chemical vapor deposition of metals and metal nitrides. Treatment of MnBr₂(THF)₂, FeI₂, CoBr₂(DME), or NiBr₂(DME) with two equivalents of LiN(t-Bu)2 in benzene affords the two-coordinate complex M[N(t-Bu)₂]₂, where M is Mn, Fe, Co, or Ni. Crystallographic studies show that the M-N distances decrease across the series: 1.9365 (Mn), 1.8790 (Fe), 1.845 (Co), 1.798 Å (Ni). The N-M- N angles are very close to linear for Mn and Fe (179.30 and 179.45°, respectively), but bent for Co and Ni (159.2 and 160.90°, respectively). As expected, the d⁵ Mn complex has a magnetic moment of 5.53 μΒ that is very close to the spin only value. The EPR spectrum is nearly axial with a low E/D ratio of 0.014. The d⁶ Fe compound has a room temperature magnetic moment of 5.55 μΒ indicative of a large orbital angular momentum contribution. It does not exhibit a Jahn-Teller distortion despite the expected doubly degenerate ground state. Applied field Mössbauer spectroscopy shows that the effective internal hyperfine field is unusually large, Hint = 105 T. The magnetic moments of Co[N(t-Bu)₂]₂ and Ni[N(t-Bu)₂]₂ are 5.24 and 3.02 μΒ respectively. Both are EPR silent at 4.2 K. Treatment of TiCl₄ with three equivalents of LiN(t-Bu)2 in pentane affords the briding imido compound Ti₂[μ-N(t-Bu)]₂Cl₂[N(t-Bu)₂]₂ via a dealkylation reaction. Rotation around the bis(tert-butyl)amido groups is hindered, with activation parameters of ΔH‡ = 12.8 ± 0.6 kcal mol-1 and ΔS‡ = -8 ± 2 cal K-1 ·mol-1, as evidenced by variable temperature 1H NMR spectroscopy. Treatment of TiCl₄ with two equivalents of HN(t-Bu)₂ affords Ti₂Cl₆[N(t-Bu)₂]₂. This complex shows a close-contact of 2.634(3) Å between Ti and the carbon atom of one of the CH₃ substituents on the tert-butyl groups. Theoretical considerations and detailed structural comparisons suggest this interaction is not agostic in nature, but rather is a consequence of interligand repulsions. Treatment of NiI₂(PPh3)₂ and PdCl₂(PPh₃)₂ with LiN(t-Bu)₂in benzene affords Ni[N(t-Bu)₂](PPh₃)I and Pd₃(μ₂-NBut₂)2(μ₂-PPh₂)Ph(PPh₃) respectively. The compound Ni[N(t-Bu)₂](PPh₃)I has distorted T-shape in geometry, whereas Pd₃(μ₂-NBut₂)₂(μ₂-PPh₂)Ph(PPh₃) contains a triangular palladium core. Manganese nitride films were grown from Mn[N(t-Bu)₂]₂ in the presence of anhydrous ammonia. The growth rate was several nanometers per minute even at the remarkably low temperature of 80⁰C. As grown, the films are carbon- and oxygen-free, and have a columnar morphology. The spacings between the columns become smaller and the films become smoother as the growth temperature is increased. The composition of the films is consistent with a stoichiometry of Mn₅N₂.

Site Specifc Growth of Metal Catalyzed Silica Nanowires for Biological and Chemical Sensing

In this research the integration of nanostructures and micro-scale devices was investigated using silica nanowires to develop a simple yet robust nanomanufacturing technique for improving the detection parameters of chemical and biological sensors. This has been achieved with the use of a dielectric barrier layer, to restrict nanowire growth to site-specific locations which has removed the need for post growth processing, by making it possible to place nanostructures on pre-pattern substrates. Nanowires were synthesized using the Vapor-Liquid-Solid growth method. Process parameters (temperature and time) and manufacturing aspects (structural integrity and biocompatibility) were investigated. Silica nanowires were observed experimentally to determine how their physical and chemical properties could be tuned for integration into existing sensing structures. Growth kinetic experiments performed using gold and palladium catalysts at 1050 ˚C for 60 minutes in an open-tube furnace yielded dense and consistent silica nanowire growth. This consistent growth led to the development of growth model fitting, through use of the Maximum Likelihood Estimation (MLE) and Bayesian hierarchical modeling. Transmission electron microscopy studies revealed the nanowires to be amorphous and X-ray diffraction confirmed the composition to be SiO2 . Silica nanowires were monitored in epithelial breast cancer media using Impedance spectroscopy, to test biocompatibility, due to potential in vivo use as a diagnostic aid. It was found that palladium catalyzed silica nanowires were toxic to breast cancer cells, however, nanowires were inert at 1µg/mL concentrations. Additionally a method for direct nanowire integration was developed that allowed for silica nanowires to be grown directly into interdigitated sensing structures. This technique eliminates the need for physical nanowire transfer thus preserving nanowire structure and performance integrity and further reduces fabrication cost. Successful nanowire integration was physically verified using Scanning electron microscopy and confirmed electrically using Electrochemical Impedance Spectroscopy of immobilized Prostate Specific Antigens (PSA). The experiments performed above serve as a guideline to addressing the metallurgic challenges in nanoscale integration of materials with varying composition and to understanding the effects of nanomaterials on biological structures that come in contact with the human body.

Study of the Electrochemical, Physical and Morphological Characteristics of Anode Catalysts for Perfluorosulfonic Acid (PFSA) Membrane Water Electrolysers

A number of supported and un-supported Oxygen Evolution Reaction (OER) iridium based electrocatalysts for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis (PEMWE) were synthesized using a polyol method. The electrocatalysts and the supports were characterized using a wide range of physical and electrochemical characterization methods. The effect of morphological characteristics of the OER electrocatalyst and the support on the OER activity was studied. The results of this thesis contribute to the existing research to reduce the cost of PEMWE by enhancing the utilization of precious metal for OER electrocatalysis. Iridium electrocatalysts supported on antimony tin oxide (Ir/ATO) were synthesized using the polyol method with two different heating techniques: conventional and microwave-irradiation. It was shown that the physical morphology and electrochemical properties of Ir/ATO synthesized with the two heating methods were comparable. However, the microwave irradiation method was extremely faster than the conventional heating method. Additionally, the effect of heat treatment (calcination temperature) on the morphology and OER activity of Ir/ATO synthesized electrocatalyst with the conventional polyol method. It was found that the iridium electrocatalyst synthesized with the polyol method, consisted of 1-5 nm particles, possessed an amorphous structure, and contained iridium with an average oxidation state of less than +4. Calcining the catalyst at temperatures more than 400 ºC and less than 700ºC: 1) increased the size of the iridium particles to 30 nm, 2) changed the structure of iridium particles from amorphous to crystalline, 3) increased the iridium oxidation state to +4 (IrO2), 4) reduced the electrochemically active surface area by approximately 50%, and 5) reduced the OER activity by approximately 25%; however, it had no significant effect on the physical and chemical morphology of the ATO support. Moreover, potential support metal carbides and oxides including: Tantalum Carbide (TaC), Niobium Oxide (Nb2O5), Niobium Carbide (NbC), Titanium Carbide (TiC), Tungsten Carbide (WC) and Antimony-doped Tin Oxide (ATO, Sb2O5-SnO2), were characterized, and used as support for the iridium OER electrocatalysts. TaC was found to be a promising support, and increasing its surface area by 4% improved the OER performance of the final supported catalyst by approximately 50%.

Variabilidade espacial e sazonal da concentração de elementos-traço em sedimentos do sistema estuarino de Santos-Cubatão (SP)

Multi-element analyses of sediment samples from the Santos-Cubatão Estuarine System were carried out to investigate the spatial and seasonal variability of trace-element concentrations. The study area contains a rich mangrove ecosystem that is a habitat for tens of thousands of resident and migratory birds, some of them endangered globally. Enrichments of metals in fine-grained surface sediments are, in decreasing order, Hg, Mn, La, Ca, Sr, Cd, Zn, Pb, Ba, Cu, Cr, Fe, Nb, Y, Ni and Ga, relative to pre-industrial background levels. The maximum enrichment ranged from 49 (Hg) to 3.1 (Ga). Mercury concentrations were greater in the Cubatão river than in other sites, while the other elements showed greater concentrations in the Morrão river. Concentrations of Mn were significantly greater in winter and autumn than in summer and spring. However, other elements (e.g. Cd and Pb) showed the opposite, with greater concentrations in summer and spring. This study suggests that seasonal changes in physical and chemical conditions may affect the degree of sediment enrichment and therefore make the assessment of contamination difficult. Consequently, these processes need to be considered when assessing water quality and the potential contamination of biota.

A comparative study of the fluidized-bed coating of cylindrical metal surfaces with various thermoplastic polymer powders

This paper reports the results of an experimental investigation into the fluidized-bed coating of cylindrical metal specimens using two types of thermoplastic powders, Rilsan(R) PA11, a nylon-11 powder produced by Elf Atochem, France and Cotene(TM) 4612, a linear low density polyethylene powder produced by J.R Courtenay (New Zealand). The effects of dipping time, preheat temperature and particle size distribution on coating thickness and surface finish were investigated. Consistent trends in coating thickness growth with dipping time were obtained for both nylon-11 and polyethylene powders with increases in coating thickness with preheat temperature. For the same preheat temperature, the lower melting point of polyethylene results in thicker coatings compared to those of nylon-11. There is a negligible change in the coating thickness for sieved powders compared to that for unsieved powders. A pre-heat temperatures of between 240 degrees C and 300 degrees C is necessary to achieve an acceptable surface finish with both nylon-11 and polyethylene powders. To minimize errors in achieving the desired coating thickness, dipping times shorter than 2 s are not recommended. The use of graphs of coating thickness versus dipping time in combination with the coating surface roughness plots presented in this paper enable the optimal choice of pre-heat temperature and dipping time to achieve acceptable surface finish. (C) 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved.

Fluid flow processes at basin scale

S u b s u r face fluid flow plays a significant role in many geologic processes and is increasingly being studied in the scale of sedimentary basins and geologic time perspective. Many economic resources such as petroleum and mineral deposits are products of basin scale fluid flow operating over large periods of time. Such ancient flow systems can be studied through analysis of diagenetic alterations and fluid inclusions to constrain physical and chemical conditions of fluids and rocks during their paleohy d r og e o l ogic evolution. Basin simulation models are useful to complement the paleohy d r og e o l ogic record preserved in the rocks and to derive conceptual models on hydraulic basin evolution and generation of economic resources. Different types of fluid flow regimes may evo l ve during basin evolution. The most important with respect to flow rates and capacity for transport of solutes and thermal energy is gr avitational fluid flow driven by the topographic configuration of a basin. Such flow systems require the basin to be elevated above sea level. Consolidational fluid flow is the principal fluid migration process in basins below sea level, caused by loading of compressible rocks. Flow rates of such systems are several orders of magnitude below topogr a p hy driven flow. Howeve r, consolidation may create significant fluid ove rpressure. Episodic dewatering of ove rpressured compart m e n t s m ay cause sudden fluid release with elevated flow velocities and may cause a transient local thermal and chemical disequilibrium betwe e n fluid and rock. This paper gives an ove rv i ew on subsurface fluid flow processes at basin scale and presents examples related to the Pe n e d è s basin in the central Catalan continental margin including the offshore Barcelona half-graben and the compressive South-Pyrenean basin.

Variabilidade espacial e sazonal da concentração de elementos-traço em sedimentos do sistema estuarino de Santos-Cubatão (SP)

Multi-element analyses of sediment samples from the Santos-Cubatão Estuarine System were carried out to investigate the spatial and seasonal variability of trace-element concentrations. The study area contains a rich mangrove ecosystem that is a habitat for tens of thousands of resident and migratory birds, some of them endangered globally. Enrichments of metals in fine-grained surface sediments are, in decreasing order, Hg, Mn, La, Ca, Sr, Cd, Zn, Pb, Ba, Cu, Cr, Fe, Nb, Y, Ni and Ga, relative to pre-industrial background levels. The maximum enrichment ranged from 49 (Hg) to 3.1 (Ga). Mercury concentrations were greater in the Cubatão river than in other sites, while the other elements showed greater concentrations in the Morrão river. Concentrations of Mn were significantly greater in winter and autumn than in summer and spring. However, other elements (e.g. Cd and Pb) showed the opposite, with greater concentrations in summer and spring. This study suggests that seasonal changes in physical and chemical conditions may affect the degree of sediment enrichment and therefore make the assessment of contamination difficult. Consequently, these processes need to be considered when assessing water quality and the potential contamination of biota.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Variabilidade espacial e sazonal da concentração de elementos-traço em sedimentos do sistema estuarino de Santos-Cubatão (SP)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Distribution of stream macroalgae in the eastern Atlantic Rainforest of São Paulo State, southeastern Brazil

Fifty-two stream segments were sampled from 16 August to 13 September in 1993 in the eastern Atlantic Rainforest of São Paulo State, southeastern Brazil (22°55′-25°00′S, 44°48′-48°03′W). Forty-two macroalgal subgeneric taxa were found and the most widespread species were Audouinella pygmaea (21% of sites), Compsopogon leptoclados and Microcoleus subtorulosus (19%). Macroalgal species number per sampling site ranged from 0 to six (2.6 ± 1.7) and was positively correlated to species abundance, whereas species cover ranged from 0 to 70% of the stream bed (15.5 ± 20.8%). No significant correlation was found among macroalgal species number and abundance with any physical or chemical variable analyzed. Most sites were dominated by one or few macroalgal species, mainly, Audouinella macrospora, C. leptoclados and M. subtorulosus. No significant difference was found between the frequency distribution of variables measured for streams and for total macroalgae but the most widespread species (A. pygmaea) differed significantly for current velocity, specific conductance, turbidity and pH. Overall means for macroalgal occurrence include the following values: temperature (X̄ = 19.9°C), current velocity (X̄ = 45 cm s-1), oxygen saturation (X̄ = 66%), specific conductance (X̄ = 59.6 μS cm-1), turbidity (X̄ = 5 NTU) and pH (X̄ = 7.1). This pattern of patchy distribution and dominance by few species has been suggested as typical of stream macroalgal communities and has been ascribed to the rapid fluctuation of physical and chemical conditions. Total macroalgal species richness as well as mean species number per sampling site were considerably lower than found in similar studies of other regions. The Intermediate Disturbance Hypothesis was applied to explain these results: the same factor (high precipitation) responsible for the maintainance of the high species diversity in the surrounding forest can be, paradoxically, a constraint to the development of a more diverse macroalgal flora in streams. © 1996 Kluwer Academic Publishers.

Dinâmica da regeneração do subsolo de áreas degradadas dentro do bioma Cerrado

The objective of this research was to evaluate the physical and chemical conditions of revegetated subsoil in degraded areas in a Cerrado biome and to verify which plants promote better conditions for soil recovery. The research was conducted in the remaining area of the hydroelectrical plant site at Ilha Solteira (SP). The experimental design was a completely randomized with five treatments and three replications. The treatments consisted of: natural regeneration area, brachiaria area, Pinus sp. area, exposed soil area and Cerrado grassland (used as control). The following soil characteristics were appraised: porosity; density, stability of aggregates, infiltration rate, temperature, exchangeable cations, organic matter, pH and potential acidity. The results show that Pinus is not a good species to recover the chemical attributes of the subsoil. The revegetated areas need to be improved in their physical attributes to allow a better development of the vegetation. Brachiaria and the natural regeneration were the most promising treatments, presenting results similar to natural Cerrado.