Lithium Containing Complex Metal Oxides and Metal phosphates:Investigations on their synthesis and various characterizations for rechargeable lithium battery applications

The work presented in the thesis is centered around two important types of cathode materials, the spinel structured LixMn204 (x =0.8to1.2) and the phospho -oIivine structured LiMP04 (M=Fe and Ni). The spinel system LixMn204, especially LiMn204 corresponding to x= 1 has been extensively investigated to understand its structural electrical and electrochemical properties and to analyse its suitability as a cathode material in rechargeable lithium batteries. However there is no reported work on the thermal and optical properties of this important cathode material. Thermal diffusivity is an important parameter as far as the operation of a rechargeable battery is concerned. In LixMn204, the electronic structure and phenomenon of Jahn-Teller distortion have already been established theoretically and experimentally. Part of the present work is an attempt to use the non-destructive technique (NDT) of photoacoustic spectroscopy to investigate the nature of the various electronic transitions and to unravel the mechanisms leading to the phenomenon of J.T distortion in LixMn204.The phospho-olivines LiMP04 (M=Fe, Ni, Mn, Co etc) are the newly identified, prospective cathode materials offering extremely high stability, quite high theoretical specific capacity, very good cycIability and long life. Inspite of all these advantages, most of the phospho - olivines especially LiFeP04 and LiNiP04 show poor electronic conductivity compared to LixMn204, leading to low rate capacity and energy density. In the present work attempts have been made to improve the electronic conductivity of LiFeP04 and LiNiP04 by adding different weight percentage MWNT .It is expected that the addition of MWNT will enhance the electronic conductivity of LiFeP04 and LiNiP04 with out causing any significant structural distortions, which is important in the working of the lithium ion battery.

EPDM/CIIR Blends: Compatibility, Morphology and Physical Properties

A detailed study of the blends of ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) and chlorobutyl rubber (CIIR) is proposed in this study. These blends may find application in the manufacture of curing diaphragms/curing envelopes for tire curing applications. EPDM possesses better physical properties such as high heat resistance, ozone resistance, cold and moisture resistance, high resistance to permanent defonnation, very good resistance to flex cracking and impact. Because of the low gas and moisture penneability, good weathering resistance and high thermal stability of CIIR, blends of EPDM with CIlR may be attractive, if sufficient mechanical strength can be developed. Although a lot of work has been done on elastomer blends, studies on the blends of EPDM and CIIR rubbers are meagre. Hence in this investigation it is proposed to make a systematic study on the characteristics of EPDM and CIIR rubber blends.The mechanical and physical properties of an elastomer blend depend mainly on the blend compatibility. So in the first part of the study, it is proposed to develop compatible blends of EPDM with CIIR. Various commercial grades of ethylenepropylene- diene rubber are proposed to be blended with a specific grade of chlorobutyl rubber at varying proportions. The extent of compatibility in these blends is proposed to be evaluated based on their mechanical properties such as tensile strength, tear strength and ageing resistance. In addition to the physical property measurements, blend compatibility is also proposed to be studied based on the glass transition behavlour of the blends in relation to the Tg's of the individual components using Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The phase morphology of the blends is also proposed to be investigated by Scanning Electron Microscopy (SEM) studies of the tensile fracture surfaces. In the case of incompatible blends, the effect of addition of chlorosulfonated polyethylene as a compatibiliser is also proposed to be investigated.In the second part of the study, the effect of sulphur curing and resin curing on the curing behaviour and the vulcanizate properties of EPDM/CIIR blends are planned to be evaluated. Since the properties of rubber vulcanizates are determined by their network structures, it is proposed to determine the network structure of the vulcanizates by chemical probes so as to correlate it with the mechanical properties.In the third part of the work, the effect of partial precuring of one of the components prior to blending as a possible means of improving the properties of the blend is proposed to be investigated. This procedure may also help to bring down the viscosity mismatch between the constituent e1astomers and provide covulcanization of the blend.The rheological characteristics and processability of the blends are proposed to be investigated in the last part of the study. To explore their possible applications, the air permeability of the blend samples at varying temperatures is proposed to be measured. The thermal diffusivity behaviour of EPDM/CIlR blends is also proposed to be investigated using novel laser technique. The thermal diffusivity of the blends along with the thermal degradation resistance may help to determine whether the blends are suitable for high temperature applications such as in the manufacturing of curing envelope.

Studies on Heat Diffusion in Selected Conducting Polymers using Probe Beam Deflection and Photoacoustic Techniques

In the present study, radio frequency plasma polymerization technique is used to prepare thin films of polyaniline, polypyrrole, poly N-methyl pyrrole and polythiophene. The thermal characterization of these films is carried out using transverse probe beam deflection method. Electrical conductivity and band gaps are also determined. The effect of iodine doping on electrical conductivity and the rate of heat diffusion is explored.Bulk samples of poyaniline and polypyrrole in powder form are synthesized by chemical route. Open photoacoustic cell configuration is employed for the thermal characterization of these samples. The effect of acid doping on heat diffusion in these bulk samples of polyaniline is also investigated. The variation of electrical conductivity of doped polyaniline and polypyrrole with temperature is also studied for drawing conclusion on the nature of conduction in these samples. In order to improve the processability of polyaniline and polypyrrole, these polymers are incorporated into a host matrix of poly vinyl chloride. Measurements of thermal diffusivity and electrical conductivity of these samples are carried out to investigate the variation of these quantities as a function of the content of polyvinyl chloride.

Photoacoustic measurement of transport properties in doped GaAs epitaxial layers

The photoacoustic technique under heat transmission configuration is used to determine the effect of doping on both the thermal and transport properties of p- and n-type GaAs epitaxial layers grown on GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method. Analysis of the data is made on the basis of the theoretical model of Rosencwaig and Gersho. Thermal and transport properties of the epitaxial layers are found by fitting the phase of the experimentally obtained photoacoustic signal with that of the theoretical model. It is observed that both the thermal and transport properties, i.e. thermal diffusivity, diffusion coefficient, surface recombination velocity and nonradiative recombination time, depend on the type of doping in the epitaxial layer. The results clearly show that the photoacoustic technique using heat transmission configuration is an excellent tool to study the thermal and transport properties of epitaxial layers under different doping conditions.

Thermal characterization of ceramic tapes using photoacoustic effect

Thermal characterization of alumina–zirconia and zirconia ceramic tapes using a photoacoustic technique is presented. A transmission-mode geometry is employed for the measurement of thermal diffusivity while a reflection-mode geometry is used for the measurement of thermal effusivity. In both these geometries, the same open photoacoustic cell is used. From the measured values of thermal diffusivity and thermal effusivity, the thermal conductivity value has also been evaluated.

Thermal characterisation of dye-intercalated K-10 montmorillonite ceramics using photoacoustic technique

Thermal diffusivity (TD) measurements were performed on some industrially important dyes – auramine O (AO), malachite green and methylene blue (MB) – adsorbed K-10 montmorillonites using photoacoustic method. The TD value for the dye-adsorbed clay mineral was observed to change with a variation in dye concentration. The contribution of the dye towards TD was also determined. The repeatedly adsorbed samples with MB and AO exhibited a lower TD than the single-adsorbed samples. TD values of sintered MB samples were also obtained experimentally. These sintered samples exhibit a higher TD, although they show a trend similar to that of non-sintered pellets. A variation in dye concentration and sintering temperature can be used for tuning the TD value of the clay mineral to the desired level.

Realization of a Scanning Photoacoustic Technique: Thermal properties of Bulk and Film Samples

Among the large number of photothcrmal techniques available, photoacoustics assumes a very significant place because of its essential simplicity and the variety of applications it finds in science and technology. The photoacoustic (PA) effect is the generation of an acoustic signal when a sample, kept inside an enclosed volume, is irradiated by an intensity modulated beam of radiation. The radiation absorbed by the sample is converted into thermal waves by nonradiative de-excitation processes. The propagating thermal waves cause a corresponding expansion and contraction of the gas medium surrounding the sample, which in tum can be detected as sound waves by a sensitive microphone. These sound waves have the same frequency as the initial modulation frequency of light. Lock-in detection method enables one to have a sufficiently high signal to noise ratio for the detected signal. The PA signal amplitude depends on the optical absorption coefficient of the sample and its thermal properties. The PA signal phase is a function of the thermal diffusivity of the sample.Measurement of the PA amplitude and phase enables one to get valuable information about the thermal and optical properties of the sample. Since the PA signal depends on the optical and thennal properties of the sample, their variation will get reflected in the PA signal. Therefore, if the PA signal is collected from various points on a sample surface it will give a profile of the variations in the optical/thennal properties across the sample surface. Since the optical and thermal properties are affected by the presence of defects, interfaces, change of material etc. these will get reflected in the PA signal. By varying the modulation frequency, we can get information about the subsurface features also. This is the basic principle of PA imaging or PA depth profiling. It is a quickly expanding field with potential applications in thin film technology, chemical engineering, biology, medical diagnosis etc. Since it is a non-destructive method, PA imaging has added advantages over some of the other imaging techniques. A major part of the work presented in this thesis is concemed with the development of a PA imaging setup that can be used to detect the presence of surface and subsmface defects in solid samples.Determination of thermal transport properties such as thermal diffusivity, effusivity, conductivity and heat capacity of materials is another application of photothennal effect. There are various methods, depending on the nature of the sample, to determine these properties. However, there are only a few methods developed to determine all these properties simultaneously. Even though a few techniques to determine the above thermal properties individually for a coating can be found in literature, no technique is available for the simultaneous measurement of these parameters for a coating. We have developed a scanning photoacoustic technique that can be used to determine all the above thermal transport properties simultaneously in the case of opaque coatings such as paints. Another work that we have presented in this thesis is the determination of thermal effusivity of many bulk solids by a scanning photoacoustic technique. This is one of the very few methods developed to determine thermal effiisivity directly.

Optical and thermal characterization of dye intercalated montmorillonites and rare earth doped materials

The advent of high optical quality transparent nano—structured glasses, the so-called transparent glass ceramics or vitroceramics disclosed the possibility of producing nano-sized photonic devices based on rare-earth doped up—converters. Transparent glass ceramics have been investigated as hosts for lanthanide ions envisioning the production of materials that are easy to shape and with high performance for photonic applications. Rare earth doped glasses have been extensively studied due to their potential applications in optical devices such as solid state lasers and optical fibers. Various photothermal and optical techniques have been successfully applied for the thermal and optical characterization of these rare earth doped materials. In the present thesis, the effective thermal parameters like thermal diffusivity and thermal effusivity of complex materials for various applications have been investigated using photothermal methods along with their optical characterization utilising the common optical absorption as well as fluorescence spectroscopic techniques. These sensitive optical procedures are also essential for exploiting these materials for further photonic applications.

Thermal characterisation of dye-intercalated K-10 montmorillonite ceramics using photoacoustic technique

Thermal diffusivity (TD) measurements were performed on some industrially important dyes – auramine O (AO), malachite green and methylene blue (MB) – adsorbed K-10 montmorillonites using photoacoustic method. The TD value for the dye-adsorbed clay mineral was observed to change with a variation in dye concentration. The contribution of the dye towards TD was also determined. The repeatedly adsorbed samples with MB and AO exhibited a lower TD than the single-adsorbed samples. TD values of sintered MB samples were also obtained experimentally. These sintered samples exhibit a higher TD, although they show a trend similar to that of non-sintered pellets. A variation in dye concentration and sintering temperature can be used for tuning the TD value of the clay mineral to the desired level

Thermal characterization of methylene blue intercalated montmorillonites by photoacoustic technique

Thermal diffusivity (TD) measurement on commercial K-10 and KSF montmorillonites was carried out by photoacoustic technique. The TD of the montmorillonites after methylene blue adsorption changed with the dye concentration. The repeatedly adsorbed samples showed a lesser TD than the single adsorbed samples. After methylene blue adsorption the acid leached K-10 samples showed well defined changes in TD when compared to the ordered KSF samples

Hydrogeology and hydrochemistry of the aquifer systems of Kuttanad area, Kerala: Their role in understanding the evolution of groundwaters

This is an attempt to understand the important factors that control the occurrence, development and hydrochemical evolution of groundwater resources in sedimentary multi aquifer systems. The primary objective of this work is an integrated study of the hydrogeology and hydrochemistry with a view to elucidate the hydrochemical evolution of groundwater resources in the aquifer systems. The study is taken up in a typical coastal sedimentary aquifer system evolved under fluvio-marine environment in the coastal area of Kerala, known as the Kuttanad. The present study has been carried out to understand the aquifer systems, their inter relationships and evolution in the Kuttanad area of Kerala. The multi aquifer systems in the Kuttanad basin were formed from the sediments deposited under fluvio-marine and fluvial depositional environments and the marine transgressions and regressions in the geological past and palaeo climatic conditions influenced the hydrochemical environment in these aquifers. The evolution of groundwater and the hydrochemical processes involved in the formation of the present day water quality are elucidated from hydrochemical studies and the information derived from the aquifer geometry and hydraulic properties. Kuttanad area comprises of three types of aquifer systems namely phreatic aquifer underlain by Recent confined aquifer followed by Tertiary confined aquifers. These systems were formed by the deposition of sediments under fluvio-marine and fluvial environment. The study of the hydrochemical and hydraulic properties of the three aquifer systems proved that these three systems are separate entities. The phreatic aquifers in the area have low hydraulic gradients and high rejected recharge. The Recent confined aquifer has very poor hydraulic characteristics and recharge to this aquifer is very low. The Tertiary aquifer system is the most potential fresh water aquifer system in the area and the groundwater flow in the aquifer is converging towards the central part of the study area (Alleppey town) due to large scale pumping of water for water supply from this aquifer system. Mixing of waters and anthropogenic interferences are the dominant processes modifying the hydrochemistry in phreatic aquifers. Whereas, leaching of salts and cation exchange are the dominant processes modifying the hydrochemistry of groundwater in the confined aquifer system of Recent alluvium. Two significant chemical reactions modifying the hydrochemistry in the Recent aquifers are oxidation of iron in ferruginous clays which contributes hydrogen ions and the decomposition of organic matter in the aquifer system which consumes hydrogen ions. The hydrochemical environment is entirely different in the Tertiary aquifers as the groundwater in this aquifer system are palaeo waters evolved during various marine transgressions and regressions and these waters are being modified by processes of leaching of salts, cation exchange and chemical reactions under strong reducing environment. It is proved that the salinity observed in the groundwaters of Tertiary aquifers are not due to seawater mixing or intrusion, but due to dissolution of salts from the clay formations and ion exchange processes. Fluoride contamination in this aquifer system lacks a regional pattern and is more or less site specific in natureThe lowering of piezometric heads in the Tertiary aquifer system has developed as consequence of large scale pumping over a long period. Hence, puping from this aquifer system is to be regulated as a groundwater management strategy. Pumping from the Tertiary aquifers with high capacity pumps leads to well failures and mixing of saline water from the brackish zones. Such mixing zones are noticed from the hydrochemical studies. This is the major aquifer contamination in the Tertiary aquifer system which requires immediate attention. Usage of pumps above 10 HP capacities in wells taping Tertiary aquifers should be discouraged for sustainable development of these aquifers. The recharge areas need to be identified precisely for recharging the aquifer systems throughartificial means.

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.

Investigations on the structural and operational changes of Ring Seine Fishing Systems of Kerala and its Life Cycle Assessment (lCA)

The study covers theFishing capture technology innovation includes the catching of aquatic animal, using any kind of gear techniques, operated from a vessel. Utilization of fishing techniques varies, depending upon the type of fisheries, and can go from a basic and little hook connected to a line to huge and complex mid water trawls or seines operated by large fishing vessels.The size and autonomy of a fishing vessel is largely determined by its ability to handle, process and store fish in good condition on board, and thus these two characteristics have been greatly influenced by the introduction and utilization of ice and refrigeration machinery. Other technological developments especially hydraulic hauling machinery, fish finding electronics and synthetic twines have also had a major impact on the efficiency and profitability of fishing vessels.A wide variety of fishing gears and practices ranging from small-scale artisanal to advanced mechanised systems are used for fish capture in Kerala. Most important among these fishing gears are trawls, seines, lines, gillnets and entangling nets and traps The modern sector was introduced in 1953 at Neendakara, Shakthikulangara region under the initiative of Indo-Norwegian project (INP). The novel facilities introduced in fishing industry by Indo- Norwegian project accordingly are mechanically operated new boats with new fishing nets. Soon after mechanization, motorization programme gained momentum in Kerala especially in Alleppey, Ernakulam and Kollam districts.

Drainage, salt leaching and physico-chemical properties of irrigated man-made terrace soils in a mountain oasis of northern Oman

Little is known about the sustainability of irrigated oasis agriculture in northern Oman. The objective of this study therefore was to examine which factors allowed agricultural productivity to be apparently maintained during the two millenia of a mountain oasis’ existence. Soil moisture and physico-chemical properties were measured in a typical flood-irrigated field sown to alfalfa (Medicago sativa L.). Particle size, organic (C_org) and inorganic carbon content, pH and electrical conductivity (EC)of the soil profile were analyzed at 0.15, 0.45 and 1.00 m. Saturated hydraulic conductivity and the soil’s apparent bulk density and water potential were determined from undisturbed samples at 0.05, 0.25 and 0.60 m. During irrigation cycles of 6–9 days, volumetric water contents ranged from 30% to 13%. A tracer experiment with potassium bromide revealed that 52–56% of the irrigation water was stored in the upper 0.4 m of the soil. The rest of the water moved further down the profile, thus providing the necessary drainage to avoid the build-up of toxic salt concentrations. Due to differences in pore size, plant-available water in the topsoil amounted to 18.7% compared to 13% and 13.5% at 0.25- and 0.60-m depth, respectively. The aggregate structure in the upper 1.0 m of the profile is likely preserved by concentrations of calcium carbonate (CaCO3) from 379 to 434 mg kg^-1 and C_org from 157 to 368 mg kg^-1 soil. The data indicate that the sustainability of this irrigated landuse system is due to high water quality with low sodium but high CaCO3 concentration, the elaborate terrace structure and water management which allows adequate drainage.

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.