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.

Reduction of arsenic uptake by lettuce with ferrous sulfate applied to contaminated soil

Soil contamination by arsenic (As) presents a hazard in many countries and there is a need for techniques to minimize As uptake by plants. A proposed in situ remediation method was tested by growing lettuce (Lactuca sativa L. cv. Kermit) in a greenhouse pot experiment on soil that contained 577 mg As kg(-1), taken from a former As smelter site. All combinations of iron (Fe) oxides, at concentrations of 0.00, 0.22, 0.54, and 1.09% (w/w), and lime, at concentrations of 0.00, 0.27, 0.68, and 1.36% (w/w), were tested in a factorial design. To create the treatments, field-moist soil, commercial-grade FeSO4, and ground agricultural lime were mixed and stored for one week, allowing Fe oxides to precipitate. Iron oxides gave highly significant (P < 0.001) reductions in lettuce As concentrations, down to 11% of the lettuce As concentration for untreated soil. For the Fe oxides and lime treatment combinations where soil pH was maintained nearly constant, the lettuce As concentration declined in an exponential relationship with increasing FeSO4 application rate and lettuce yield was almost unchanged. Iron oxides applied at a concentration of 1.09% did not give significantly lower lettuce As concentrations than the 0.54% treatment. Simultaneous addition of lime with FeSO4 was essential. Ferrous sulfate with insufficient lime lowered soil pH and caused mobilization of Al, Ba, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Sr, and Zn. At the highest Fe oxide to lime ratios, Mn toxicity caused severe yield loss.

Effect of ammonium and nitrate on indigenous mycorrhizal infection, rhizosphere pH change, and phosphorus uptake by sorghum

Sorghum (Sorghum bicolor L.) plants were grown in split pots in three Rothamsted soils with different soil pH values and phosphorus (P) contents. Ammonium addition resulted in higher plant dry weight and P content than comparable nitrate treatments. The pH of soils in the rhizosphere (0.51-mm average thickness) differed from the bulk soil depending on nitrogen (N) form and level. Ammonium application resulted in a pH decrease, but nitrate application slightly increased pH. To examine the effect of rhizosphere acidification on mobilization of phosphate, 0.5 M NaHCO3 extractable phosphate was measured. The lowering rhizosphere pH enhanced the solubility of P in the soil and maybe availability of P to plants. Rhizosphere-P depletion increased with increasing ammonium supply, but when N was supplied as nitrate, P depletion was not related to increasing nitrate supply. Low P status Hoosfield soils developed mycorrhizal infection., and as a result, P inflow was increased. Geescroft soil, which initially had a high P status, did not develop mycorrhizal infection, and P inflow was much smaller and was unaffected by N treatments. Therefore, plant growth and P uptake were influenced by both rhizosphere pH and indigenous mycorrhizal infection.

Comparison of ammonium lactate, sodium bicarbonate and double calcium lactate methods for extraction of phosphorus from wetland peat soils

Procedures for routine analysis of soil phosphorus (P) have been used for assessment of P status, distribution and P losses from cultivated mineral soils. No similar studies have been carried out on wetland peat soils. The objective was to compare extraction efficiency of ammonium lactate (PAL), sodium bicarbonate (P-Olsen), and double calcium lactate (P-DCaL) and P distribution in the soil profile of wetland peat soils. For this purpose, 34 samples of the 0-30, 30-60 and 60-90 cm layers were collected from peat soils in Germany, Israel, Poland, Slovenia, Sweden and the United Kingdom and analysed for P. Mean soil pH (CaCl2, 0.01 M) was 5.84, 5.51 and 5.47 in the 0-30, 30-60 and 60-90 cm layers, respectively. The P-DCaL was consistently about half the magnitude of either P-AL or P-Olsen. The efficiency of P extraction increased in the order P-DCaL < P-AL &LE; P-Olsen, with corresponding means (mg kg(-1)) for all soils (34 samples) of 15.32, 33.49 and 34.27 in 0-30 cm; 8.87, 17.30 and 21.46 in 30-60 cm; and 5.69, 14.00 and 21.40 in 60-90 cm. The means decreased with depth. When examining soils for each country separately, P-Olsen was relatively evenly distributed in the German, UK and Slovenian soils. P-Olsen was linearly correlated (r = 0.594, P = 0.0002) with pH, whereas the three P tests (except P-Olsen vs P-DCaL) significantly correlated with each other (P = 0.017850.0001). The strongest correlation (r = 0.617, P = 0.0001) was recorded for P-AL vs P-DCaL) and the two methods were inter-convertible using a regression equation: P-AL = -22.593 + 5.353 pH + 1.423 P-DCaL, R-2 = 0.550.

Reduction of arsenic uptake by lettuce with ferrous sulfate applied to contaminated soil

Soil contamination by arsenic (As) presents a hazard in many countries and there is a need for techniques to minimize As uptake by plants. A proposed in situ remediation method was tested by growing lettuce (Lactuca sativa L. cv. Kermit) in a greenhouse pot experiment on soil that contained 577 mg As kg(-1), taken from a former As smelter site. All combinations of iron (Fe) oxides, at concentrations of 0.00, 0.22, 0.54, and 1.09% (w/w), and lime, at concentrations of 0.00, 0.27, 0.68, and 1.36% (w/w), were tested in a factorial design. To create the treatments, field-moist soil, commercial-grade FeSO4, and ground agricultural lime were mixed and stored for one week, allowing Fe oxides to precipitate. Iron oxides gave highly significant (P < 0.001) reductions in lettuce As concentrations, down to 11% of the lettuce As concentration for untreated soil. For the Fe oxides and lime treatment combinations where soil pH was maintained nearly constant, the lettuce As concentration declined in an exponential relationship with increasing FeSO4 application rate and lettuce yield was almost unchanged. Iron oxides applied at a concentration of 1.09% did not give significantly lower lettuce As concentrations than the 0.54% treatment. Simultaneous addition of lime with FeSO4 was essential. Ferrous sulfate with insufficient lime lowered soil pH and caused mobilization of Al, Ba, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Sr, and Zn. At the highest Fe oxide to lime ratios, Mn toxicity caused severe yield loss.

Changes in the global sulfate burden due to perturbations in global CO2 concentrations

A large ensemble of general circulation model (GCM) integrations coupled to a fully interactive sulfur cycle scheme were run on the climateprediction.net platform to investigate the uncertainty in the climate response to sulfate aerosol and carbon dioxide (CO2) forcing. The sulfate burden within the model (and the atmosphere) depends on the balance between formation processes and deposition (wet and dry). The wet removal processes for sulfate aerosol are much faster than dry removal and so any changes in atmospheric circulation, cloud cover, and precipitation will feed back on the sulfate burden. When CO2 is doubled in the Hadley Centre Slab Ocean Model (HadSM3), global mean precipitation increased by 5%; however, the global mean sulfate burden increased by 10%. Despite the global mean increase in precipitation, there were large areas of the model showing decreases in precipitation (and cloud cover) in the Northern Hemisphere during June–August, which reduced wet deposition and allowed the sulfate burden to increase. Further experiments were also undertaken with and without doubling CO2 while including a future anthropogenic sulfur emissions scenario. Doubling CO2 further enhanced the increases in sulfate burden associated with increased anthropogenic sulfur emissions as observed in the doubled CO2-only experiment. The implications are that the climate response to doubling CO2 can influence the amount of sulfate within the atmosphere and, despite increases in global mean precipitation, may act to increase it.

Analysis of the sulfate-reducing bacterial and methanogenic archaeal populations in contrasting Antarctic sediments

The distribution and activity of communities of sulfate-reducing bacteria (SRB) and methanogenic archaea in two contrasting Antarctic sediments were investigated. Methanogenesis dominated in freshwater Lake Heywood, while sulfate reduction dominated in marine Shallow Bay. Slurry experiments indicated that 90% of the methanogenesis in Lake Heywood was acetoclastic. This finding was supported by the limited diversity of clones detected in a Lake Heywood archaeal clone library, in which most clones were closely related to the obligate acetate-utilizing Methanosaeta concilii. The Shallow Bay archaeal clone library contained clones related to the C-1-utilizing Methanolobus and Methanococcoides and the H-2-utilizing Methanogenium. Oligonucleotide probing of RNA extracted directly from sediment indicated that archaea represented 34% of the total prokaryotic signal in Lake Heywood and that Methanosaeta was a major component (13.2%) of this signal. Archaea represented only 0.2% of the total prokaryotic signal in RNA extracted from Shallow Bay sediments. In the Shallow Bay bacterial clone library, 10.3% of the clones were SRB-like, related to Desulfotalea/Desulforhopalus, Desulfofaba, Desulfosarcina, and Desulfobacter as well as to the sulfur and metal oxidizers comprising the Desulfuromonas cluster. Oligonucleotide probes for specific SRB clusters indicated that SRB represented 14.7% of the total prokaryotic signal, with Desulfotalea/Desulforhopalus being the dominant SRB group (10.7% of the total prokaryotic signal) in the Shallow Bay sediments; these results support previous results obtained for Arctic sediments. Methanosaeta and Desulfotalea/Desulforhopalus appear to be important in Lake Heywood and Shallow Bay, respectively, and may be globally important in permanently low-temperature sediments.

Synthesis, structure and magnetic characterisation of a new layered ammonium manganese(II) diphosphate hydrate, (NH4)(2)[Mn-3(P2O7)(2)(H2O)(2)]

A new layered ammonium manganese(II) diphosphate, (NH4)(2)[Mn-3(P2O7)(2)(H2O)(2)], has been synthesised under solvothermal conditions at 433 K in ethylene glycol and the structure determined at 293 K using single-crystal X-ray diffraction data (M-r = 584.82, monoclinic, space group P2(1)/a, a = 9.4610( 8), b = 8.3565( 7), c = 9.477(1) Angstrom, beta = 99.908(9) degrees, V = 738.07 Angstrom(3), Z = 2, R = 0.0351 and R-w = 0.0411 for 1262 observed data (I > 3(sigma(I))). The structure consists of chains of cis- and trans-edge sharing MnO6 octahedra linked via P2O7 units to form layers of formula [Mn3P4O14(H2O)(2)](2-) in the ab plane. Ammonium ions lie between the manganese-diphosphate layers. A network of interlayer and ammonium-layer based hydrogen bonding holds the structure together. Magnetic measurements indicate Curie - Weiss behaviour above 30 K with mu(eff) = 5.74(1) mu(B) and theta = -23(1) K, consistent with the presence of high-spin Mn2+ ions and antiferromagnetic interactions. However, the magnetic data reveal a spontaneous magnetisation at 5 K, indicating a canting of Mn2+ moments in the antiferromagnetic ground state. On heating (NH4)(2)[Mn-3(P2O7)(2)(H2O)(2)] in water at 433 K under hydrothermal conditions, Mn-5(HPO4)(2)(PO4)(2).4H(2)O, synthetic hureaulite, is formed.

A new class of ammonium ylid for [2,3]-sigmatropic rearrangement reactions: ene-endo-spiro ylids

The first examples of sigmatropic rearrangements of ene-endo-spirocyclic, tetrahydropyridine-derived ammonium ylids are reported. Thus, spiro[6.7]-ylids rearrange primarily by a [2,3]-pathway, whereas the analogous [6.6]-ylids rearrange by [1,2]- and [2,3]-mechanisms in roughly equal proportions. This method serves as a rapid entry to the core of a range of alkaloids bearing a pyrrolo[1,2-a]azepine or octahydroindolizidine nucleus.

A low-temperature ammonium ylid rearrangement: enhanced reactivity engendered by rigidity

Sigmatropic rearrangement of tetrahydropyridine-derived ammonium is a valuable method for the preparation of substituted prolines. These reaction normally require elevated temperatures to proceed, but bicyclic tetrahydropyridine-like ylid I undergoes rearrangement at -15 degrees C; the extra rigidity of the azabicyclo[3.3.0]octene system preorganizes the transition state and lowers the activation energy for rearrangement.

Asymmetric ammonium ylid rearrangements: the effect of nitrogen asymmetry

[2,3]-Sigmatropic rearrangements of allylic ammonium ylids derived from glycinoylcamphorsultams are highly selective in terms of relative and absolute stereocontrol only when acyclic alkenes are present. When chiral esters of ylids derived from N-methyltetrahydro-pyridine ('NMTP') undergo rearrangement, the reactions show exclusive cis-stereoselectivity but the products are obtained with virtually no absolute stereocontrol. These observations support the notion that sigmatropic rearrangements of N-chiral ammonium ylids are controlled by nitrogen stereogenicity. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Asymmetric [2,3]-rearrangement of glycine-derived allyl ammonium ylids

The first examples of highly enantioselective [2,3]-sigmatropic rearrangements of acyclic allylic ammonium ylids are reported. Thus, a range of N-{2‘-[(N‘-allyl-N‘,N‘-dialkyl)ammonium]}acetyl camphor sultams undergo rearrangement at 0 °C in DME solution with high diastereofacial control (up to 99:1 dr) to give allylglycines in generally high yield. The power of the method has been demonstrated in a rapid and efficient synthesis of (R)-allyl glycine.

Formation of high levels of acrylamide during the processing of flour derived from sulfate-deprived wheat

When wheat was grown under conditions of severe sulfate depletion, dramatic increases in the concentration of free asparagine were found in the grain of up to 30 times as compared to samples receiving the normal levels of sulfate fertilizer. The effect was observed both in plants grown in pots, where the levels of nutrients were carefully controlled, and in plants grown in field trials on soil with poor levels of natural nutrients where sulfate fertilizer was applied at levels from 0 to 40 kg sulfur/Ha. Many of the other free amino acids were present at higher levels in the sulfate-deprived wheat, but the levels of free glutamine showed increases similar to those observed for asparagine. In baked cereal products, asparagine is the precursor of the suspect carcinogen acrylamide, and when flours from the sulfate-deprived wheat were heated at 160 degrees C for 20 min, levels of acrylamide between 2600 and 5200 mu g/kg were found as compared to 600-900 mu g/kg in wheat grown with normal levels of sulfate fertilization.

Changes in free amino acids and sugars in potatoes due to sulfate fertilization and the effect on acrylamide formation

To examine how sulfur deprivation may affect acrylamide formation in cooked potatoes, three varieties of potato were grown under conditions of either severe sulfur deprivation or an adequate supply of sulfur. In all three varieties sulfur deprivation led to a decrease in acrylamide formation, even though the levels of sugars, which are acrylamide precursors, were higher in tubers of the sulfur-deprived plants. In one variety the concentration of free asparagine, the other precursor for acrylamide, was also higher. There was a very close correlation between the concentration of asparagine in the tubers expressed as a proportion of the total free amino acid pool and the formation of acrylamide upon cooking, whereas sugars were poorly correlated with acrylamide. In potatoes, where concentrations of sugars are usually limiting, competition between asparagine and other amino acids participating in the Maillard reaction may be a key determinant of the amount of acrylamide that is formed during processing.