Synthesis, Characterization and Applications of Modified TiO2 Systems

This thesis is divided in to 9 chapters and deals with the modification of TiO2 for various applications include photocatalysis, thermal reaction, photovoltaics and non-linear optics. Chapter 1 involves a brief introduction of the topic of study. An introduction to the applications of modified titania systems in various fields are discussed concisely. Scope and objectives of the present work are also discussed in this chapter. Chapter 2 explains the strategy adopted for the synthesis of metal, nonmetal co-doped TiO2 systems. Hydrothermal technique was employed for the preparation of the co-doped TiO2 system, where Ti[OCH(CH3)2]4, urea and metal nitrates were used as the sources for TiO2, N and metals respectively. In all the co-doped systems, urea to Ti[OCH(CH3)2]4 was taken in a 1:1 molar ratio and varied the concentration of metals. Five different co-doped catalytic systems and for each catalysts, three versions were prepared by varying the concentration of metals. A brief explanation of physico-chemical techniques used for the characterization of the material was also presented in this chapter. This includes X-ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, FTIR analysis, Thermo Gravimetric Analysis, Energy Dispersive X-ray Analysis (EDX), Scanning Electron Microscopy(SEM), UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-Vis DRS), Transmission Electron Microscopy (TEM), BET Surface Area Measurements and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Chapter 3 contains the results and discussion of characterization techniques used for analyzing the prepared systems. Characterization is an inevitable part of materials research. Determination of physico-chemical properties of the prepared materials using suitable characterization techniques is very crucial to find its exact field of application. It is clear from the XRD pattern that photocatalytically active anatase phase dominates in the calcined samples with peaks at 2θ values around 25.4°, 38°, 48.1°, 55.2° and 62.7° corresponding to (101), (004), (200), (211) and (204) crystal planes (JCPDS 21-1272) respectively. But in the case of Pr-N-Ti sample, a new peak was observed at 2θ = 30.8° corresponding to the (121) plane of the polymorph brookite. There are no visible peaks corresponding to dopants, which may be due to their low concentration or it is an indication of the better dispersion of impurities in the TiO2. Crystallite size of the sample was calculated from Scherrer equation byusing full width at half maximum (FWHM) of the (101) peak of the anatase phase. Crystallite size of all the co-doped TiO2 was found to be lower than that of bare TiO2 which indicates that the doping of metal ions having higher ionic radius into the lattice of TiO2 causes some lattice distortion which suppress the growth of TiO2 nanoparticles. The structural identity of the prepared system obtained from XRD pattern is further confirmed by Raman spectra measurements. Anatase has six Raman active modes. Band gap of the co-doped system was calculated using Kubelka-Munk equation and that was found to be lower than pure TiO2. Stability of the prepared systems was understood from thermo gravimetric analysis. FT-IR was performed to understand the functional groups as well as to study the surface changes occurred during modification. EDX was used to determine the impurities present in the system. The EDX spectra of all the co-doped samples show signals directly related to the dopants. Spectra of all the co-doped systems contain O and Ti as the main components with low concentrations of doped elements. Morphologies of the prepared systems were obtained from SEM and TEM analysis. Average particle size of the systems was drawn from histogram data. Electronic structures of the samples were identified perfectly from XPS measurements. Chapter 4 describes the photocatalytic degradation of herbicides Atrazine and Metolachlor using metal, non-metal co-doped titania systems. The percentage of degradation was analyzed by HPLC technique. Parameters such as effect of different catalysts, effect of time, effect of catalysts amount and reusability studies were discussed. Chapter 5 deals with the photo-oxidation of some anthracene derivatives by co-doped catalytic systems. These anthracene derivatives come underthe category of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Due to the presence of stable benzene rings, most of the PAH show strong inhibition towards biological degradation and the common methods employed for their removal. According to environmental protection agency, most of the PAH are highly toxic in nature. TiO2 photochemistry has been extensively investigated as a method for the catalytic conversion of such organic compounds, highlighting the potential of thereof in the green chemistry. There are actually two methods for the removal of pollutants from the ecosystem. Complete mineralization is the one way to remove pollutants. Conversion of toxic compounds to another compound having toxicity less than the initial starting compound is the second way. Here in this chapter, we are concentrating on the second aspect. The catalysts used were Gd(1wt%)-N-Ti, Pd(1wt%)-N-Ti and Ag(1wt%)-N-Ti. Here we were very successfully converted all the PAH to anthraquinone, a compound having diverse applications in industrial as well as medical fields. Substitution of 10th position of desired PAH by phenyl ring reduces the feasibility of photo reaction and produced 9-hydroxy 9-phenyl anthrone (9H9PA) as an intermediate species. The products were separated and purified by column chromatography using 70:30 hexane/DCM mixtures as the mobile phase and the resultant products were characterized thoroughly by 1H NMR, IR spectroscopy and GCMS analysis. Chapter 6 elucidates the heterogeneous Suzuki coupling reaction by Cu/Pd bimetallic supported on TiO2. Sol-Gel followed by impregnation method was adopted for the synthesis of Cu/Pd-TiO2. The prepared system was characterized by XRD, TG-DTG, SEM, EDX, BET Surface area and XPS. The product was separated and purified by column chromatography using hexane as the mobile phase. Maximum isolated yield of biphenyl of around72% was obtained in DMF using Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti as the catalyst. In this reaction, effective solvent, base and catalyst were found to be DMF, K2CO3 and Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti respectively. Chapter 7 gives an idea about the photovoltaic (PV) applications of TiO2 based thin films. Due to energy crisis, the whole world is looking for a new sustainable energy source. Harnessing solar energy is one of the most promising ways to tackle this issue. The present dominant photovoltaic (PV) technologies are based on inorganic materials. But the high material, low power conversion efficiency and manufacturing cost limits its popularization. A lot of research has been conducted towards the development of low-cost PV technologies, of which organic photovoltaic (OPV) devices are one of the promising. Here two TiO2 thin films having different thickness were prepared by spin coating technique. The prepared films were characterized by XRD, AFM and conductivity measurements. The thickness of the films was measured by Stylus Profiler. This chapter mainly concentrated on the fabrication of an inverted hetero junction solar cell using conducting polymer MEH-PPV as photo active layer. Here TiO2 was used as the electron transport layer. Thin films of MEH-PPV were also prepared using spin coating technique. Two fullerene derivatives such as PCBM and ICBA were introduced into the device in order to improve the power conversion efficiency. Effective charge transfer between the conducting polymer and ICBA were understood from fluorescence quenching studies. The fabricated Inverted hetero junction exhibited maximum power conversion efficiency of 0.22% with ICBA as the acceptor molecule. Chapter 8 narrates the third order order nonlinear optical properties of bare and noble metal modified TiO2 thin films. Thin films were fabricatedby spray pyrolysis technique. Sol-Gel derived Ti[OCH(CH3)2]4 in CH3CH2OH/CH3COOH was used as the precursor for TiO2. The precursors used for Au, Ag and Pd were the aqueous solutions of HAuCl4, AgNO3 and Pd(NO3)2 respectively. The prepared films were characterized by XRD, SEM and EDX. The nonlinear optical properties of the prepared materials were investigated by Z-Scan technique comprising of Nd-YAG laser (532 nm,7 ns and10 Hz). The non-linear coefficients were obtained by fitting the experimental Z-Scan plot with the theoretical plots. Nonlinear absorption is a phenomenon defined as a nonlinear change (increase or decrease) in absorption with increasing of intensity. This can be mainly divided into two types: saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA). Depending on the pump intensity and on the absorption cross- section at the excitation wavelength, most molecules show non- linear absorption. With increasing intensity, if the excited states show saturation owing to their long lifetimes, the transmission will show SA characteristics. Here absorption decreases with increase of intensity. If, however, the excited state has strong absorption compared with that of the ground state, the transmission will show RSA characteristics. Here in our work most of the materials show SA behavior and some materials exhibited RSA behavior. Both these properties purely depend on the nature of the materials and alignment of energy states within them. Both these SA and RSA have got immense applications in electronic devices. The important results obtained from various studies are presented in chapter 9.

Studies on Landfill Leachate Transportation and Its Impact on Soil Characteristics

Leachate from an untreated landfill or landfill with damaged liners will cause the pollution of soil and ground water. Here an attempt was made to generate knowledge on concentrations of all relevant pollutants in soil due to municipal solid waste landfill leachate and its migration through soil and also to study the effect of leachate on the engineering properties of soil. To identify the pollutants in soil due to the leachate generated from municipal solid waste landfill site, a case study on an unlined municipal solid waste landfill at Kalamassery has been done. Soil samples as well as water samples were collected from the site and analysed to identify the pollutants and its effect on soil characteristics. The major chemicals in the soil were identified as Ammonia, Chloride, Nitrate, Iron, Nickel, Chromium, Cadmium etc.. Engineering properties of field soil samples show that the chemicals from the leachate of landfill may have effect on the engineering properties of soil. Laboratory experiments were formulated to model the field around an unlined MSW landfill using two different soils subjected to a synthetic leachate. The Maximum change in chemical concentration and engineering property was observed on soil samples at a radial distance of 0.2 m and at a depth of 0.3 m. The pollutant (chemicals) transport pattern through the soil was also studied using synthetic leachate. To establish the effect of pollutants (chemicals) on engineering properties of soil, experiments were conducted on two types soils treated with the synthetic chemicals at four different concentrations. Analyses were conducted after maturing periods of 7, 50, 100 and 150 days. Test soils treated with maximum chemical concentration and matured for 150 days were showing major change in the properties. To visualize the flow of pollutants through soil in a broader sense, the transportation of pollutants through soil was modeled using software ‘Visual MODFLOW’. The actual field data collected for the case study was used to calibrate the modelling and thus simulated the flow pattern of the pollutants through soil around Kalamassery municipal solid waste landfill for an extent of 4 km2. Flow was analysed for a time span of 30 years in which the landfill was closed after 20 years. The concentration of leachate beneath the landfill was observed to be reduced considerably within one year after closure of landfill and within 8 years, it gets lowered to a negligible level. As an environmensstal management measure to control the pollution through leachate, permeable reactive barriers are used as an emerging technology. Here the suitability of locally available materials like coir pith, rice husk and sugar cane bagasse were investigated as reactive media in permeable reactive barrier. The test results illustrates that, among these, coir pith was showing better performance with maximum percentage reduction in concentration of the filtrate. All these three agricultural wastes can be effectively utilized as a reactive material. This research establishes the influence of leachate of municipal solid waste landfill on the engineering properties of soil. The factors such as type of the soil, composition of leachate, infiltration rate, aquifers, ground water table etc., will have a major role on the area of influence zone of the pollutants in a landfill. Software models of the landfill area can be used to predict the extent and the time span of pollution of a landfill, by inputting the accurate field parameters and leachate characteristics. The present study throws light on the role of agro waste materials on the reduction of the pollution in leachate and thus prevents the groundwater and soil from contamination

Synthesis, Characterization and Applications of Hybrid Nanocomposites of TiO2 With Conducting Polymers

A nanocomposite is a multiphase solid material where one of the phases has one, two or three dimensions of less than 100 nanometers (nm), or structures having nano-scale repeat distances between the different phases that make up the material. In the broadest sense this definition can include porous media, colloids, gels and copolymers, but is more usually taken to mean the solid combination of a bulk matrix and nano-dimensional phase(s) differing in properties due to dissimilarities in structure and chemistry. The mechanical, electrical, thermal, optical, electrochemical, catalytic properties of the nanocomposite will differ markedly from that of the component materials. Size limits for these effects have been proposed, <5 nm for catalytic activity, <20 nm for making a hard magnetic material soft, <50 nm for refractive index changes, and <100 nm for achieving superparamagnetism, mechanical strengthening or restricting matrix dislocation movement. Conducting polymers have attracted much attention due to high electrical conductivity, ease of preparation, good environmental stability and wide variety of applications in light-emitting, biosensor chemical sensor, separation membrane and electronic devices. The most widely studied conducting polymers are polypyrrole, polyaniline, polythiophene etc. Conducting polymers provide tremendous scope for tuning of their electrical conductivity from semiconducting to metallic region by way of doping and are organic electro chromic materials with chemically active surface. But they are chemically very sensitive and have poor mechanical properties and thus possessing a processibility problem. Nanomaterial shows the presence of more sites for surface reactivity, they possess good mechanical properties and good dispersant too. Thus nanocomposites formed by combining conducting polymers and inorganic oxide nanoparticles possess the good properties of both the constituents and thus enhanced their utility. The properties of such type of nanocomposite are strongly depending on concentration of nanomaterials to be added. Conducting polymer composites is some suitable composition of a conducting polymer with one or more inorganic nanoparticles so that their desirable properties are combined successfully. The composites of core shell metal oxide particles-conducting polymer combine the electrical properties of the polymer shell and the magnetic, optical, electrical or catalytic characteristics of the metal oxide core, which could greatly widen their applicability in the fields of catalysis, electronics and optics. Moreover nanocomposite material composed of conducting polymers & oxides have open more field of application such as drug delivery, conductive paints, rechargeable batteries, toners in photocopying, smart windows, etc.The present work is mainly focussed on the synthesis, characterization and various application studies of conducting polymer modified TiO2 nanocomposites. The conclusions of the present work are outlined below, Mesoporous TiO2 was prepared by the cationic surfactant P123 assisted hydrothermal synthesis route and conducting polymer modified TiO2 nanocomposites were also prepared via the same technique. All the prepared systems show XRD pattern corresponding to anatase phase of TiO2, which means that there is no phase change occurring even after conducting polymer modification. Raman spectroscopy gives supporting evidence for the XRD results. It also confirms the incorporation of the polymer. The mesoporous nature and surface area of the prepared samples were analysed by N2 adsorption desorption studies and the mesoporous ordering can be confirmed by low angle XRD measurementThe morphology of the prepared samples was obtained from both SEM & TEM. The elemental analysis of the samples was performed by EDX analysisThe hybrid composite formation is confirmed by FT-IR spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopyAll the prepared samples have been used for the photocatalytic degradation of dyes, antibiotic, endocrine disruptors and some other organic pollutants. Photocatalytic antibacterial activity studies were also performed using the prepared systemsAll the prepared samples have been used for the photocatalytic degradation of dyes, antibiotic, endocrine disruptors and some other organic pollutants. Photocatalytic antibacterial activity studies were also performed using the prepared systems Polyaniline modified TiO2 nanocomposite systems were found to have good antibacterial activity. Thermal diffusivity studies of the polyaniline modified systems were carried out using thermal lens technique. It is observed that as the amount of polyaniline in the composite increases the thermal diffusivity also increases. The prepared systems can be used as an excellent coolant in various industrial purposes. Nonlinear optical properties (3rd order nonlinearity) of the polyaniline modified systems were studied using Z scan technique. The prepared materials can be used for optical limiting Applications. Lasing studies of polyaniline modified TiO2 systems were carried out and the studies reveal that TiO2 - Polyaniline composite is a potential dye laser gain medium.

Utilization of aquatic macrophyte Spirodela polyrhiza as phytotoxicological assessment and phytoremediation tool in selected polluted wetland sites in Ernakulam district

One of the objectives of the current investigation was to evaluate the effectiveness of Spirodela polyrhiza to remove heavy metals and other contaminants from the water samples collected from wetland sites of Eloor and Kannamaly under controlled conditions .The results obtained from the current study suggest that the test material S. polyrrhiza should be used in the biomonitoring and phytoremediation of municipal, agricultural and industrial effluents because of their simplicity, sensitivity and cost-effectiveness. The study throws light on the potential of this plant which can be used as an assessment tool in two diverse wetland in Ernakulum district. The results show the usefulness of combining physicochemical analysis with bioassays as such approach ensures better understanding of the toxicity of chemical pollutants and their influence on plant health. The results shows the suitability of Spirodela plant for surface water quality assessment as all selected parameters showed consistency with respect to water samples collected over a 3-monitoring periods. Similarly the relationship between the change in exposure period (2, 4 and 8 days) with the parameters were also studied in detail. Spirodela are consistent test material as they are homogeneous plant material; due to predominantly vegetative reproduction. New fronds are formed by clonal propagation thus, producing a population of genetically homogeneous plants. The result is small variability between treated individuals. It has been observed that phytoremediation of water samples collected from Eloor and Kannamaly using the floating plant system is a predominant method which is economic to construct, requires little maintenance and eco friendly.

Studies on Advanced Oxidation Processes for the Removal of Acetamiprid from Wastewater

Pollution of water with pesticides has become a threat to the man, material and environment. The pesticides released to the environment reach the water bodies through run off. Industrial wastewater from pesticide manufacturing industries contains pesticides at higher concentration and hence a major source of water pollution. Pesticides create a lot of health and environmental hazards which include diseases like cancer, liver and kidney disorders, reproductive disorders, fatal death, birth defects etc. Conventional wastewater treatment plants based on biological treatment are not efficient to remove these compounds to the desired level. Most of the pesticides are phyto-toxic i.e., they kill the microorganism responsible for the degradation and are recalcitrant in nature. Advanced oxidation process (AOP) is a class of oxidation techniques where hydroxyl radicals are employed for oxidation of pollutants. AOPs have the ability to totally mineralise the organic pollutants to CO2 and water. Different methods are employed for the generation of hydroxyl radicals in AOP systems. Acetamiprid is a neonicotinoid insecticide widely used to control sucking type insects on crops such as leafy vegetables, citrus fruits, pome fruits, grapes, cotton, ornamental flowers. It is now recommended as a substitute for organophosphorous pesticides. Since its use is increasing, its presence is increasingly found in the environment. It has high water solubility and is not easily biodegradable. It has the potential to pollute surface and ground waters. Here, the use of AOPs for the removal of acetamiprid from wastewater has been investigated. Five methods were selected for the study based on literature survey and preliminary experiments conducted. Fenton process, UV treatment, UV/ H2O2 process, photo-Fenton and photocatalysis using TiO2 were selected for study. Undoped TiO2 and TiO2 doped with Cu and Fe were prepared by sol-gel method. Characterisation of the prepared catalysts was done by X-ray diffraction, scanning electron microscope, differential thermal analysis and thermogravimetric analysis. Influence of major operating parameters on the removal of acetamiprid has been investigated. All the experiments were designed using central compoiste design (CCD) of response surface methodology (RSM). Model equations were developed for Fenton, UV/ H2O2, photo-Fenton and photocatalysis for predicting acetamiprid removal and total organic carbon (TOC) removal for different operating conditions. Quality of the models were analysed by statistical methods. Experimental validations were also done to confirm the quality of the models. Optimum conditions obtained by experiment were verified with that obtained using response optimiser. Fenton Process is the simplest and oldest AOP where hydrogen peroxide and iron are employed for the generation of hydroxyl radicals. Influence of H2O2 and Fe2+ on the acetamiprid removal and TOC removal by Fenton process were investigated and it was found that removal increases with increase in H2O2 and Fe2+ concentration. At an initial concentration of 50 mg/L acetamiprid, 200 mg/L H2O2 and 20 mg/L Fe2+ at pH 3 was found to be optimum for acetamiprid removal. For UV treatment effect of pH was studied and it was found that pH has not much effect on the removal rate. Addition of H2O2 to UV process increased the removal rate because of the hydroxyl radical formation due to photolyis of H2O2. An H2O2 concentration of 110 mg/L at pH 6 was found to be optimum for acetamiprid removal. With photo-Fenton drastic reduction in the treatment time was observed with 10 times reduction in the amount of reagents required. H2O2 concentration of 20 mg/L and Fe2+ concentration of 2 mg/L was found to be optimum at pH 3. With TiO2 photocatalysis improvement in the removal rate was noticed compared to UV treatment. Effect of Cu and Fe doping on the photocatalytic activity under UV light was studied and it was observed that Cu doping enhanced the removal rate slightly while Fe doping has decreased the removal rate. Maximum acetamiprid removal was observed for an optimum catalyst loading of 1000 mg/L and Cu concentration of 1 wt%. It was noticed that mineralisation efficiency of the processes is low compared to acetamiprid removal efficiency. This may be due to the presence of stable intermediate compounds formed during degradation Kinetic studies were conducted for all the treatment processes and it was found that all processes follow pseudo-first order kinetics. Kinetic constants were found out from the experimental data for all the processes and half lives were calculated. The rate of reaction was in the order, photo- Fenton>UV/ H2O2>Fenton> TiO2 photocatalysis>UV. Operating cost was calculated for the processes and it was found that photo-Fenton removes the acetamiprid at lowest operating cost in lesser time. A kinetic model was developed for photo-Fenton process using the elementary reaction data and mass balance equations for the species involved in the process. Variation of acetamiprid concentration with time for different H2O2 and Fe2+ concentration at pH 3 can be found out using this model. The model was validated by comparing the simulated concentration profiles with that obtained from experiments. This study established the viability of the selected AOPs for the removal of acetamiprid from wastewater. Of the studied AOPs photo- Fenton gives the highest removal efficiency with lowest operating cost within shortest time.

Differential induction, isolation, physicochemical and molecular characterization of temperate phages of environmental Vibrio cholerae as evidence of phage mediated Horizontal Gene Transfer

The resurgence of the enteric pathogen Vibrio cholerae, the causative organism of epidemic cholera, remains a major health problem in many developing countries like India. The southern Indian state of Kerala is endemic to cholera. The outbreaks of cholera follow a seasonal pattern in regions of endemicity. Marine aquaculture settings and mangrove environments of Kerala serve as reservoirs for V. cholerae. The non-O1/non-O139 environmental isolates of V. cholerae with incomplete ‘virulence casette’ are to be dealt with caution as they constitute a major reservoir of diverse virulence genes in the marine environment and play a crucial role in pathogenicity and horizontal gene transfer. The genes coding cholera toxin are borne on, and can be infectiously transmitted by CTXΦ, a filamentous lysogenic vibriophages. Temperate phages can provide crucial virulence and fitness factors affecting cell metabolism, bacterial adhesion, colonization, immunity, antibiotic resistance and serum resistance. The present study was an attempt to screen the marine environments like aquafarms and mangroves of coastal areas of Alappuzha and Cochin, Kerala for the presence of lysogenic V. cholerae, to study their pathogenicity and also gene transfer potential. Phenotypic and molecular methods were used for identification of isolates as V. cholerae. The thirty one isolates which were Gram negative, oxidase positive, fermentative, with or without gas production on MOF media and which showed yellow coloured colonies on TCBS (Thiosulfate Citrate Bile salt Sucrose) agar were segregated as vibrios. Twenty two environmental V. cholerae strains of both O1 and non- O1/non-O139 serogroups on induction with mitomycin C showed the presence of lysogenic phages. They produced characteristic turbid plaques in double agar overlay assay using the indicator strain V. cholerae El Tor MAK 757. PCR based molecular typing with primers targeting specific conserved sequences in the bacterial genome, demonstrated genetic diversity among these lysogen containing non-O1 V. cholerae . Polymerase chain reaction was also employed as a rapid screening method to verify the presence of 9 virulence genes namely, ctxA, ctxB, ace, hlyA, toxR, zot,tcpA, ninT and nanH, using gene specific primers. The presence of tcpA gene in ALPVC3 was alarming, as it indicates the possibility of an epidemic by accepting the cholera. Differential induction studies used ΦALPVC3, ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14, underlining the possibility of prophage induction in natural ecosystems, due to abiotic factors like antibiotics, pollutants, temperature and UV. The efficiency of induction of prophages varied considerably in response to the different induction agents. The growth curve of lysogenic V. cholerae used in the study drastically varied in the presence of strong prophage inducers like antibiotics and UV. Bacterial cell lysis was directly proportional to increase in phage number due to induction. Morphological characterization of vibriophages by Transmission Electron Microscopy revealed hexagonal heads for all the four phages. Vibriophage ΦALPVC3 exhibited isometric and contractile tails characteristic of family Myoviridae, while phages ΦALPVC11 and ΦALPVC12 demonstrated the typical hexagonal head and non-contractile tail of family Siphoviridae. ΦEKM14, the podophage was distinguished by short non-contractile tail and icosahedral head. This work demonstrated that environmental parameters can influence the viability and cell adsorption rates of V. cholerae phages. Adsorption studies showed 100% adsorption of ΦALPVC3 ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14 after 25, 30, 40 and 35 minutes respectively. Exposure to high temperatures ranging from 50ºC to 100ºC drastically reduced phage viability. The optimum concentration of NaCl required for survival of vibriophages except ΦEKM14 was 0.5 M and that for ΦEKM14 was 1M NaCl. Survival of phage particles was maximum at pH 7-8. V. cholerae is assumed to have existed long before their human host and so the pathogenic clones may have evolved from aquatic forms which later colonized the human intestine by progressive acquisition of genes. This is supported by the fact that the vast majority of V. cholerae strains are still part of the natural aquatic environment. CTXΦ has played a critical role in the evolution of the pathogenicity of V. cholerae as it can transmit the ctxAB gene. The unusual transformation of V. cholerae strains associated with epidemics and the emergence of V. cholera O139 demonstrates the evolutionary success of the organism in attaining greater fitness. Genetic changes in pathogenic V. cholerae constitute a natural process for developing immunity within an endemically infected population. The alternative hosts and lysogenic environmental V. cholerae strains may potentially act as cofactors in promoting cholera phage ‘‘blooms’’ within aquatic environments, thereby influencing transmission of phage sensitive, pathogenic V. cholerae strains by aquatic vehicles. Differential induction of the phages is a clear indication of the impact of environmental pollution and global changes on phage induction. The development of molecular biology techniques offered an accessible gateway for investigating the molecular events leading to genetic diversity in the marine environment. Using nucleic acids as targets, the methods of fingerprinting like ERIC PCR and BOX PCR, revealed that the marine environment harbours potentially pathogenic group of bacteria with genetic diversity. The distribution of virulence associated genes in the environmental isolates of V. cholerae provides tangible material for further investigation. Nucleotide and protein sequence analysis alongwith protein structure prediction aids in better understanding of the variation inalleles of same gene in different ecological niche and its impact on the protein structure for attaining greater fitness of pathogens. The evidences of the co-evolution of virulence genes in toxigenic V. cholerae O1 from different lineages of environmental non-O1 strains is alarming. Transduction studies would indicate that the phenomenon of acquisition of these virulence genes by lateral gene transfer, although rare, is not quite uncommon amongst non-O1/non-O139 V. cholerae and it has a key role in diversification. All these considerations justify the need for an integrated approach towards the development of an effective surveillance system to monitor evolution of V. cholerae strains with epidemic potential. Results presented in this study, if considered together with the mechanism proposed as above, would strongly suggest that the bacteriophage also intervenes as a variable in shaping the cholera bacterium, which cannot be ignored and hinting at imminent future epidemics.

Aspekte des Prozesses der N-Freisetzung aus Humus-Vorratsabbau

In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von Umweltveränderungen in einem N-gesättigten Buchenwaldökosystem über Basalt (Braunerde) untersucht. Unter veränderten Umweltbedingungen sind hier vor allem Bestandesdachauflösung, immissions- oder waldbaulich bedingt, und Klimaveränderung zu verstehen, die eine Erwärmung des Oberbodens zur Folge haben. Die Änderungen der Umweltbedingungen werden in diesem Versuchsansatz durch einen waldbaulichen Eingriff simuliert, durch den eine Bestandeslücke entsteht, die in einer Erwärmung des Bodens resultieren und damit den Wasser- und Elementhaushalt insgesamt beeinflussen. Es wird deutlich, dass die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Flächen als N-gesättigt bezeichnet werden können, da die N-Verluste aus dem System die Größe der Einträge überschreiten. In der Folge ist es zu einer Entkopplung des Stoffhaushalts und damit zu erhöhter N-Mobilisierung gekommen. Diese konnte vor allem im hydrologischen Jahr 1996 dokumentiert werden; der Überschuss-N-Output liegt auf der Auflichtungsfläche bei bis zu 50 kg N/(ha*a)! Die beobachteten hohen N-Austräge erfolgten trotz eines ebenfalls beobachteten Anwachsens des mikrobiellen Stickstoff-Pools und des Aufwachsens einer krautigen und strauchigen Vegetation auf der Auflichtungsfläche. Im Jahresgang konnten auf der Auflichtungsfläche in 0 - 30 cm Bodentiefe maximale Änderungen im Nmic-Vorrat von 130 kg N/(ha*a) beobachtet werden. Das im Frühjahr beginnende quantitative Anwachsen des mikrobiellen Stickstoff-Pools mit dem Jahresgang zeigt vor allem dessen Temperaturabhängigkeit auf. Die am Ende der Vegetationsperiode deutlich ansteigenden Austragsraten zeigen jedoch an, dass der freigesetzte Stickstoff auch von den Mikroorganismen nicht dauerhaft im System gehalten werden kann, da mit fallender Temperatur auch die Mikroorganismen absterben und der in ihrer Biomasse gespeicherte Stickstoff freigesetzt wird. Aufwachsende Vegetation auf der Auflichtungsfläche konnte einen Großteil des Netto-Stickstoff-Jahreseintrages aufnehmen. Da die "Netto-Jahres-Mineralisation" 1996 leicht über der Wurzelaufnahme liegt, verbleibt ein Rest, der nicht von der aufwachsenden krautigen Vegetation der Auflichtungsfläche aufgenommen werden kann. Ergebnis ist damit, dass die auf Lochhieben aufwachsende krautige und strauchige Vegetation eine temperaturbedingte Stickstoffmobilisierung nur teilweise kompensieren kann. Allein aufwachsende verholzende Vegetation kann Stickstoff langfristig im System binden.

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.

Soil, water and nutrient loss under conventional and organic vegetable production managed in small farms

Agricultural systems with conventional tillage and intensive use of agrochemicals, especially those on high slopes and with shallow soils, have the potential to release pollutants. This study aimed at evaluating the soil, water and nutrient lost via agricultural runoff in large plots (small catchments) under conventional and organic farming of vegetables as well as under forest (control) system in a Cambisol in the Campestre catchment. Samples of runoff were collected biweekly for one year through a Coshocton wheel. The soil and water losses from the conventional farming were 218 and 6 times higher, respectively, than forest. Under organic farming the soil and water losses were 12 and 4 times higher, respectively, than forest. However the soil losses (0.5 to 114 kg ha^(−1) year^(−1)) are considered low in agronomy but environmentally represent a potential source of surface water contamination by runoff associated pollutants. The concentrations and losses of all forms of phosphorus (P) were higher in the conventional system (9.5, 0.9 and 0.3 mg L^(−1) of total P for conventional, organic and forest systems, respectively), while the organic system had the highest concentrations and losses of soluble nitrogen (4.7, 38.6 and 0.4 mg L^(−1) of NO_3-N, respectively). The percentage of bioavailable P was proportionally higher in the organic system (91% of total P lost was as bioavailable P), indicating greater potential for pollution in the short term.

Recycling urban waste as possible use for rooftop vegetable garden

Urban authorities in Europe are confronted with increasing demands by urban dwellers for allotment gardens, but vacant urban soil tends to be scarce and/or polluted by past industrial activities. A possible solution for local authorities could therefore be to promote rooftop gardening. However little technical information exists on certain forms of rooftop urban agriculture, called Z-Farming. In 2012, a pilot experiment was run in Paris (France). Simple and cheap systems of rooftop gardening were tested on a rooftop using as crop substrates only local urban organic waste so as to contribute to the urban metabolism. Production levels and heavy metal contents in cropping substrates and edible vegetables were measured. Available results show (i) high levels of crop production with limited inputs compared to land professional gardening, (ii) low levels of heavy metal pollutants in the edible parts of the crops, especially for Cd and Pb with respect to EU norms for vegetables and (iii) positive influence on yields on organizing the substrate in layers and enhancing the biological activity through earthworm inoculation. These encouraging results allow us to consider that rooftop gardening is feasible and seem to have a great potential to improve urban resiliency. It will nevertheless be necessary to identify more precisely the types of roof that can be used and to assess more fully the generic result of the low level of pollution, as well as the global sustainability of these cropping systems.

Time-series regression models to study the short-term effects of environmental factors on health

Time series regression models are especially suitable in epidemiology for evaluating short-term effects of time-varying exposures on health. The problem is that potential for confounding in time series regression is very high. Thus, it is important that trend and seasonality are properly accounted for. Our paper reviews the statistical models commonly used in time-series regression methods, specially allowing for serial correlation, make them potentially useful for selected epidemiological purposes. In particular, we discuss the use of time-series regression for counts using a wide range Generalised Linear Models as well as Generalised Additive Models. In addition, recently critical points in using statistical software for GAM were stressed, and reanalyses of time series data on air pollution and health were performed in order to update already published. Applications are offered through an example on the relationship between asthma emergency admissions and photochemical air pollutants

Effects of Air Pollution Control on Climate

Urban air pollution and climate are closely connected due to shared generating processes (e.g., combustion) for emissions of the driving gases and aerosols. They are also connected because the atmospheric lifecycles of common air pollutants such as CO, NOx and VOCs, and of the climatically important methane gas (CH4) and sulfate aerosols, both involve the fast photochemistry of the hydroxyl free radical (OH). Thus policies designed to address air pollution may impact climate and vice versa. We present calculations using a model coupling economics, atmospheric chemistry, climate and ecosystems to illustrate some effects of air pollution policy alone on global warming. We consider caps on emissions of NOx, CO, volatile organic carbon, and SOx both individually and combined in two ways. These caps can lower ozone causing less warming, lower sulfate aerosols yielding more warming, lower OH and thus increase CH4 giving more warming, and finally, allow more carbon uptake by ecosystems leading to less warming. Overall, these effects significantly offset each other suggesting that air pollution policy has a relatively small net effect on the global mean surface temperature and sea level rise. However, our study does not account for the effects of air pollution policies on overall demand for fossil fuels and on the choice of fuels (coal, oil, gas), nor have we considered the effects of caps on black carbon or organic carbon aerosols on climate. These effects, if included, could lead to more substantial impacts of capping pollutant emissions on global temperature and sea level than concluded here. Caps on aerosols in general could also yield impacts on other important aspects of climate beyond those addressed here, such as the regional patterns of cloudiness and precipitation.

Statistical Analysis of Eco-Toxicologic Data of Mammals from a Polluted Area

Several eco-toxicological studies have shown that insectivorous mammals, due to their feeding habits, easily accumulate high amounts of pollutants in relation to other mammal species. To assess the bio-accumulation levels of toxic metals and their in°uence on essential metals, we quantified the concentration of 19 elements (Ca, K, Fe, B, P, S, Na, Al, Zn, Ba, Rb, Sr, Cu, Mn, Hg, Cd, Mo, Cr and Pb) in bones of 105 greater white-toothed shrews (Crocidura russula) from a polluted (Ebro Delta) and a control (Medas Islands) area. Since chemical contents of a bio-indicator are mainly compositional data, conventional statistical analyses currently used in eco-toxicology can give misleading results. Therefore, to improve the interpretation of the data obtained, we used statistical techniques for compositional data analysis to define groups of metals and to evaluate the relationships between them, from an inter-population viewpoint. Hypothesis testing on the adequate balance-coordinates allow us to confirm intuition based hypothesis and some previous results. The main statistical goal was to test equal means of balance-coordinates for the two defined populations. After checking normality, one-way ANOVA or Mann-Whitney tests were carried out for the inter-group balances

Asociación de la concentración de material particulado en Bogotá con infarto agudo de miocardio

Introducción: la contaminación atmosférica no solo tiene efectos sobre el sistema respiratorio sino también sobre el cardiovascular. El objetivo de este estudio es generar evidencia que permita establecer una asociación entre el infarto agudo del miocardio y la concentración de PM10 en el ambiente como un estudio preliminar para un grupo de pacientes en Bogotá. Metodología: la asociación entre la concentración del material particulado (en este caso PM10 medido en la estación más cercana del lugar reportado por el paciente) y el infarto agudo del miocardio se estableció utilizando el diseño case crossover. Se utilizó información de las historias clínicas de los pacientes con infarto agudo del miocardio que ingresaron al Servicio de Urgencias de la FSFB, y las concentraciones de PM10 medido en la estación más cercana al lugar de inicio de los síntomas de síndrome coronario agudo, reportado por el paciente. Resultados: se encontró que la asociación entre la concentración de PM10 y el diagnóstico de infarto agudo del miocardio es estadísticamente significativa teniendo en cuenta tres momentos de control: 2 horas antes del evento, 24 horas antes del evento y 48 horas antes del evento. Discusión: este estudio sugiere que las altas concentraciones de material particulado en el ambiente son un factor de riesgo para el desarrollo de infarto agudo del miocardio especialmente en personas con enfermedad coronaria subyacente. Con esta investigación se demuestra la importancia de generar acciones que disminuyan la contaminación de la ciudad y de esta forma proteger la salud de las personas.

‘Boots for my Sancho’: structural vulnerability among Latin American day labourers in Berkeley, California

This paper addresses the structural vulnerability of Latin American undocumented day labourers in Northern California, as it is expressed in conversations on street corners where they wait for work. The intimate aspects of migrant experience become exemplified in jokes about the Sancho – a hypothetical character who has moved in on a day labourer's family and who enjoys the money he sends home. Joking turns to more serious topics of nostalgia and tensions with family far away, elements that come together with the fears and threats of labour on the corner and affect the way day labourers see themselves. Sexuality is rearticulated in the absence of women and masculinity becomes enmeshed in the contingencies of unregulated work and long-term separation from the people the men support. Together, these elements result in the articulation of threat to the immigrant body itself, which is exemplified by anxieties over homosexual propositions on the corner. Cet article aborde la vulnérabilité structurelle des travailleurs journaliers latino-américains sans papiers dans le Nord de la Californie, telle qu'ils l'expriment dans leurs conversations en attendant du travail aux coins des rues. Les aspects intimes de l'expérience de la migration sont exemplifiés à travers des blagues sur le Sancho – un personnage hypothétique qui, au pays natal, s'est installé dans la famille d'un journalier pour profiter de l'argent qu'elle reçoit de ce dernier. Les blagues deviennent alors des sujets de conversation plus sérieux, sur un fond de nostalgie et de tensions qui résulte de l'éloignement vis-à-vis de la famille – des éléments qui accompagnent les peurs et les menaces liées aux embauches des coins de rue et ont un impact sur la manière dont les journaliers se perçoivent. La sexualité est articulée par rapport à l'absence des femmes et la virilité s'empêtre dans les contingences du travail illégal et de la séparation sur le long terme d'avec les êtres que ces hommes soutiennent financièrement. Ensemble, tous ces éléments ont pour résultat une articulation de la menace vis-à-vis du corps de l'immigré lui-même, qui est exemplifiée par les angoisses dues aux propositions d'homosexuels aux coins des rues.