Haematite in Lateritic Soils Aids Groundwater Disinfection

Microbiologically contaminated water severely impacts public health in low-income countries, where treated water supplies are often inaccessible to much of the population. Groundwater represents a water source that commonly has better microbiological quality than surface water. A 2-month intensive flow and quality monitoring programme of a spring in a densely settled, unsewered parish of Kampala, Uganda, revealed the persistent presence of high chloride and nitrate concentrations that reflect intense loading of sewage in the spring’s catchment. Conversely, thermotolerant coliform bacteria counts in spring water samples remained very low outside of periods of intense rainfall. Laboratory investigations of mechanisms responsible for this behavior, achieved by injecting a pulse of H40/1 bacteriophage tracer into a column packed with locally derived granular laterite, resulted in near-total tracer adsorption. X-ray diffraction (XRD) analysis showed the laterite to consist predominantly of quartz and kaolinite, with minor amounts (<5%) of haematite. Batch studies comparing laterite adsorption capacity with a soil having comparable mineralogy, but with amorphous iron oxide rather than haematite, showed the laterite to have a significantly greater capacity to adsorb bacteriophage. Batch study results using pure haematite confirmed that its occurrence in laterite contributes substantially to micro-organism attenuation observed and serves to protect underlying groundwater.

Degradation of carbon disulphide (CS2) in soils and groundwater from a CS2 -contaminated site

This study is the first investigation of biodegradation of carbon disulphide (CS₂) in soil that provides estimates of degradation rates and identifies intermediate degradation products and carbon isotope signatures of degradation. Microcosm studies were undertaken under anaerobic conditions using soil and groundwater recovered from CS₂-contaminated sites. Proposed degradation mechanisms were validated using equilibrium speciation modelling of concentrations and carbon isotope ratios. A first-order degradation rate constant of 1.25 × 10-2 h-1 was obtained for biological degradation with soil. Carbonyl sulphide (COS) and hydrogen sulphide (H₂S) were found to be intermediates of degradation, but did not accumulate in vials. A 13C/12C enrichment factor of -7.5 ± 0.8 ‰ was obtained for degradation within microcosms with both soil and groundwater whereas a 13C/12C enrichment factor of -23.0 ± 2.1 ‰ was obtained for degradation with site groundwater alone. It can be concluded that biological degradation of both CS2-contaminated soil and groundwater is likely to occur in the field suggesting that natural attenuation may be an appropriate remedial tool at some sites. The presence of biodegradation by-products including COS and H₂S indicates that biodegradation of CS₂ is occurring and stable carbon isotopes are a promising tool to quantify CS₂ degradation.

Hydrobiogeochemical Interactions along “Flow Tubes” Controls: Watershed Scale Contaminant Flow and Transformation at the Oak Ridge IFRC

Geochemical,spectrographic, microbiological and hydrogeologic studies at the ORIFRC site indicate that groundwater transport in structured media may behave as a system of parallel flow tubes. These tubes are preferred flowpaths that enable contaminant transport parallel to bedding planes (strike) over distances of 1000s of meters. A significant flux of groundwater is focused within an interval defined by the interface between the competent bedrock and overlying highly-weathered saprolite, commonly referred to as the"transition zone." Characteristics of this transition zone are dense fractures and the relative absence of weathering products (e.g. clays)results in a significantly higher permeability compared to both the overlying clay-saprolite and underlying bedrock. Several stratabound low seismic velocity zones located below the transition zone were identified during geophysics studies and were also determined to be fractured high permeability preferred contaminant transport pathways during subsequent drilling activities. XANES analysis of precipitates collected from these deeper flow zones indicate 95% or more of the U deposited is U(VI). Linear combination fitting of the EXAFS data shows that precipitates are ~51±5% U(VI)-carbonate-like phase (e.g., liebigite) and ~49±5% U(VI) associated with an iron oxide phase; inclusion of a third component in the fit suggests that up to 15% of the U(VI) may be associated with a phosphate phase or OH- phase (e.g.,schoepite). Although precipitates with similar U(VI)-carbonate and/or phosphate associations were identified in the transition zone pathways,there were also U(VI) complexes adsorbed to mineral surfaces that would tend to be more readily mobilized. Groundwater in the different flow tubes has been determined to consist of different water quality types that vary with the solid phase encountered (e.g., clays, carbonates, clastics) as contaminants migrate along the flow paths. This lateral and vertical variability in geochemistry, particularly pH, has a significant impact on microbiological community composition and activity. Ribosomal RNA gene analyses coupled with physiological and genomic analyses suggest that bacteria from the genus Rhodanobacter(a diverse population of denitrifiers that are moderately acid tolerant) have a high relative abundance in the acidic source zone at the ORIFRC site.Watershed-scale analysis across different flow paths/tubes revealed strong negative correlation between pH and the absolute and relative abundance of Rhodanobacter. Recent studies also confirmed that the ORIFRC site hosts a diverse fungal community, with significant differences observed between acidic (pH <5) and circumneutral (>5) wells. The lack of nitrous oxide reduction capability in fungi, and the detection of denitrification potential in slurry microcosms suggest that fungi may have aheretofore under appreciated role in biogeochemical transformations, with implications forsite remediation and greenhouse gas emissions. Further research is needed to determine if these organisms can influence U(VI) mobility either directly through immobilization or indirectly through the depletion of nitrate.In conclusion, additional studies are required to quantify the processes (e.g., solid phase reactions, recharge, diffusion, microbial interactions) that are occurring along the groundwater flow tubes identified at the ORIFRC so predictive models can be parameterized and used to assess long-term contaminant fate and transport and remedial options.

Microbial Ecology and Geo-electrical Responses across a Groundwater Plume

We have used geophysics, microbiology, and geochemistry to link large-scale (30+ m) geophysical self-potential (SP) responses at a groundwater contaminant plume with its chemistry and microbial ecology of groundwater and soil from in and around it. We have found that microbially mediated transformation of ammonia to nitrite, nitrate, and nitrogen gas was likely to have promoted a well-defined electrochemical gradient at the edge of the plume, which dominated the SP response. Phylogenetic analysis demonstrated that the plume fringe or anode of the geobattery was dominated by electrogens and biodegradative microorganisms including Proteobacteria alongside Geobacteraceae, Desulfobulbaceae, and Nitrosomonadaceae. The uncultivated candidate phylum OD1 dominated uncontaminated areas of the site. We defined the redox boundary at the plume edge using the calculated and observed electric SP geophysical measurements. Conductive soils and waste acted as an electronic conductor, which was dominated by abiotic iron cycling processes that sequester electrons generated at the plume fringe. We have suggested that such geoelectric phenomena can act as indicators of natural attenuation processes that control groundwater plumes. Further work is required to monitor electron transfer across the geoelectric dipole to fully define this phenomenon as a geobattery. This approach can be used as a novel way of monitoring microbial activity around the degradation of contaminated groundwater plumes or to monitor in situ bioelectric systems designed to manage groundwater plumes.

Assessment of groundwater contamination in an agricultural peri-urban area (NW Portugal): an integrated approach

The excessive use of pesticides and fertilisers in agriculture has generated a decrease in groundwater and surface water quality in many regions of the EU, constituting a hazard for human health and the environment. Besides, on-site sewage disposal is an important source of groundwater contamination in urban and peri-urban areas. The assessment of groundwater vulnerability to contamination is an important tool to fulfil the demands of EU Directives. The purpose of this study is to assess the groundwater vulnerability to contamination related mainly to agricultural activities in a peri-urban area (Vila do Conde, NW Portugal). The hydrogeological framework is characterised mainly by fissured granitic basement and sedimentary cover. Water samples were collected and analysed for temperature, pH, electrical conductivity, chloride, phosphate, nitrate and nitrite. An evaluation of groundwater vulnerability to contamination was applied (GOD-S, Pesticide DRASTIC-Fm, SINTACS and SI) and the potential nitrate contamination risk was assessed, both on a hydrogeological GIS-based mapping. A principal component analysis was performed to characterised patterns of relationship among groundwater contamination, vulnerability, and the hydrogeological setting assessed. Levels of nitrate above legislation limits were detected in 75 % of the samples analysed. Alluvia units showed the highest nitrate concentrations and also the highest vulnerability and risk. Nitrate contamination is a serious problem affecting groundwater, particularly shallow aquifers, especially due to agriculture activities, livestock and cesspools. GIS-based cartography provided an accurate way to improve knowledge on water circulation models and global functioning of local aquifer systems. Finally, this study highlights the adequacy of an integrated approach, combining hydrogeochemical data, vulnerability assessments and multivariate analysis, to understand groundwater processes in peri-urban areas.

Evaluation of uv spectrophotometry for estimation of nitrite and nitrate in nitrified urine

Water is a limited resource for which demand is growing. Contaminated water from inadequate wastewater treatment provides one of the greatest health challenges as it restricts development and increases poverty in emerging and developing countries. Therefore, the connection between wastewater and human health is linked to access to sanitation and to human waste disposal. Adequate sanitation is expected to create a barrier between disposed human excreta and sources of drinking water. Different approaches to wastewater management are required for different geographical regions and different stages of economic governance depending on the capacity to manage wastewater. Effective wastewater management can contribute to overcome the challenges of water scarcity. Separate collection of human urine at its source is one promising approach that strongly reduces the economic and load demands on wastewater treatment plants (WWTP). Treatment of source-separated urine appears as a sanitation system that is affordable, produces a valuable fertiliser, reduces pollution of water resources and promotes health. However, the technical realisation of urine separation still faces challenges. Biological hydrolysis of urea causes a strong increase of ammonia and pH. Under these conditions ammonia volatilises which can cause odour problems and significant nitrogen losses. The above problems can be avoided by urine stabilisation. Biological nitrification is a suitable process for stabilisation of urine. Urine is a highly concentrated nutrient solution which can lead to strong inhibition effects during bacterial nitrification. This can further lead to process instabilities. The major cause of instability is accumulation of the inhibitory intermediate compound nitrite, which could lead to process breakdown. Enhanced on-line nitrite monitoring can be applied in biological source-separated urine nitrification reactors as a sustainable and efficient way to improve the reactor performance, avoiding reactor failures and eventual loss of biological activity. Spectrophotometry appears as a promising candidate for the development and application of on-line nitrite monitoring. Spectroscopic methods together with chemometrics are presented in this work as a powerful tool for estimation of nitrite concentrations. Principal component regression (PCR) is applied for the estimation of nitrite concentrations using an immersible UV sensor and off-line spectra acquisition. The effect of particles and the effect of saturation, respectively, on the UV absorbance spectra are investigated. The analysis allows to conclude that (i) saturation has a substantial effect on nitrite estimation; (ii) particles appear to have less impact on nitrite estimation. In addition, improper mixing together with instabilities in the urine nitrification process appears to significantly reduce the performance of the estimation model.

Les transformations microbiennes de l’azote dans les grandes rivières

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote.

Formation of anoxia and denitrification in the bottom waters of a tropical estuary, southwest coast of India

Hydrographic characteristics of the southwest coast of India and its adjoining Cochin backwaters (CBW) were studied during the summer monsoon period. Anomalous formation of anoxia and denitrification were observed in the bottom layers of CBW, which 5 have not been previously reported elsewhere in any tropical estuarine systems. The prevalent upwelling in the Arabian Sea (AS) brought cool, high saline, oxygen deficient and nutrient-rich waters towards the coastal zone and bottom layers of CBW during the high tide. High freshwater discharge in the surface layers brought high amount of nutrients and makes the CBW system highly productive. Intrusion of AS waters seems 10 to be stronger towards the upstream end ( 15 km), than had been previously reported, as a consequence of the lowering of river discharges and deepening of channels in the estuary. Time series measurements in the lower reaches of CBW indicated a low mixing zone with increased stratification, 3 h after the high tide (highest high tide) and high variation in vertical mixing during the spring and neap phases. The upwelled waters 15 (O2 40 μM) intruded into the estuary was found to lose more oxygen during the neap phase (suboxic O2 4 μM) than spring phase (hypoxic O2 10 μM). Increased stratification coupled with low ventilation and presence of high organic matter have resulted in an anoxic condition (O2 = 0), 2–6 km away from barmouth of the estuary and leads to the formation of hydrogen sulphide. The reduction of nitrate and formation of nitrite 20 within the oxygen deficient waters indicated strong denitrification intensity in the estuary. The expansion of oxygen deficient zone, denitrification and formation of hydrogen sulphide may lead to a destruction of biodiversity and an increase of green house gas emissions from this region

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.

Application of biogas slurries from energy crops to arable soils and their impact on carbon and nitrogen dynamics

The use of renewable primary products as co-substrate or single substrate for biogas production has increased consistently over the last few years. Maize silage is the preferential energy crop used for fermentation due to its high methane (CH4) yield per hectare. Equally, the by-product, namely biogas slurry (BS), is used with increasing frequency as organic fertilizer to return nutrients to the soil and to maintain or increase the organic matter stocks and soil fertility. Studies concerning the application of energy crop-derived BS on the carbon (C) and nitrogen (N) mineralization dynamics are scarce. Thus, this thesis focused on the following objectives: I) The determination of the effects caused by rainfall patterns on the C and N dynamics from two contrasting organic fertilizers, namely BS from maize silage and composted cattle manure (CM), by monitoring emissions of nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2) and CH4 as well as leaching losses of C and N. II) The investigation of the impact of differences in soil moisture content after the application of BS and temperature on gaseous emissions (CO2, N2O and CH4) and leaching of C and N compounds. III) A comparison of BS properties obtained from biogas plants with different substrate inputs and operating parameters and their effect on C and N dynamics after application to differently textured soils with varying application rates and water contents. For the objectives I) and II) two experiments (experiment I and II) using undisturbed soil cores of a Haplic Luvisol were carried out. Objective III) was studied on a third experiment (experiment III) with disturbed soil samples. During experiment I three rainfall patterns were implemented including constant irrigation, continuous irrigation with periodic heavy rainfall events, and partial drying with rewetting periods. Biogas slurry and CM were applied at a rate of 100 kg N ha-1. During experiment II constant irrigation and an irrigation pattern with partial drying with rewetting periods were carried out at 13.5°C and 23.5°C. The application of BS took place either directly before a rewetting period or one week after the rewetting period stopped. Experiment III included two soils of different texture which were mixed with ten BS’s originating from ten different biogas plants. Treatments included low, medium and high BS-N application rates and water contents ranging from 50% to 100% of water holding capacity (WHC). Experiment I and II showed that after the application of BS cumulative N2O emissions were 4 times (162 mg N2O-N m-2) higher compared to the application of CM caused by a higher content of mineral N (Nmin) in the form of ammonium (NH4+) in the BS. The cumulative emissions of CO2, however, were on the same level for both fertilizers indicating similar amounts of readily available C after composting and fermentation of organic material. Leaching losses occurred predominantly in the mineral form of nitrate (NO3-) and were higher in BS amended soils (9 mg NO3--N m-2) compared to CM amended soils (5 mg NO3--N m-2). The rainfall pattern in experiment I and II merely affected the temporal production of C and N emissions resulting in reduced CO2 and enhanced N2O emissions during stronger irrigation events, but showed no effect on the cumulative emissions. Overall, a significant increase of CH4 consumption under inconstant irrigation was found. The time of fertilization had no effect on the overall C and N dynamics. Increasing temperature from 13.5°C to 23.5°C enhanced the CO2 and N2O emissions by a factor of 1.7 and 3.7, respectively. Due to the increased microbial activity with increasing temperature soil respiration was enhanced. This led to decreasing oxygen (O2) contents which in turn promoted denitrification in soil due to the extension of anaerobic microsites. Leaching losses of NO3- were also significantly affected by increasing temperature whereas the consumption of CH4 was not affected. The third experiment showed that the input materials of biogas plants affected the properties of the resulting BS. In particular the contents of DM and NH4+ were determined by the amount of added plant biomass and excrement-based biomass, respectively. Correlations between BS properties and CO2 or N2O emissions were not detected. Solely the ammonia (NH3) emissions showed a positive correlation with NH4+ content in BS as well as a negative correlation with the total C (Ct) content. The BS-N application rates affected the relative CO2 emissions (% of C supplied with BS) when applied to silty soil as well as the relative N2O emissions (% of N supplied with BS) when applied to sandy soil. The impacts on the C and N dynamics induced by BS application were exceeded by the differences induced by soil texture. Presumably, due to the higher clay content in silty soils, organic matter was stabilized by organo-mineral interactions and NH4+ was adsorbed at the cation exchange sites. Different water contents induced highest CO2 emissions and therefore optimal conditions for microbial activity at 75% of WHC in both soils. Cumulative nitrification was also highest at 75% and 50% of WHC whereas the relative N2O emissions increased with water content and showed higher N2O losses in sandy soils. In summary it can be stated that the findings of the present thesis confirmed the high fertilizer value of BS’s, caused by high concentrations of NH4+ and labile organic compounds such as readily available carbon. These attributes of BS’s are to a great extent independent of the input materials of biogas plants. However, considerably gaseous and leaching losses of N may occur especially at high moisture contents. The emissions of N2O after field application corresponded with those of animal slurries.

Controlling nitrate pollution: an integrated approach

The introduction of the EU Water Framework Directive requires policy to address non-point source pollution as part of an overall integrated strategy to improve the ecological status of water bodies. In this paper, we combine an economic optimisation framework with a dynamic simulation model of N transport in the Kennet Catchment to link decisions taken at the farm level to reductions in nitrate concentrations in the River Kennet. We examine a variety of policies targeted at reducing fertiliser use and changing the way in which farm land is used. We find that a tax on nitrogen emerges as the best policy both in terms of cost- and environmental effectiveness. Such a policy involves a considerable reduction in fertiliser use, as well as, a restructuring of land-use away from arable towards increased use of set-aside. Budgetary implications of such a radical move towards set-aside would be huge and hence unlikely to be politically palatable given the objective of reducing the EU budgetary allocation to agriculture. Additionally, the current rise in world demand for food may also mitigate calls for increasing the proportion of land taken out of agricultural production. Although the study succeeds in establishing a link between actions on the farm and nitrate concentrations in the stream water, further work is required to explore the effect of the retention of nitrates in the unsaturated zone and groundwater on this link.

Towards an improved understanding of the nitrate dynamics in lowland, permeable river-systems: Applications of INCA-N

The Integrated Catchment Model of Nitrogen (INCA-N) was applied to the Lambourn and Pang river-systems to integrate current process-knowledge and available-data to test two hypotheses and thereby determine the key factors and processes controlling the movement of nitrate at the catchment-scale in lowland, permeable river-systems: (i) that the in-stream nitrate concentrations were controlled by two end-members only: groundwater and soil-water, and (ii) that the groundwater was the key store of nitrate in these river-systems. Neither hypothesis was proved true or false. Due to equifinality in the model structure and parameters at least two alternative models provided viable explanations for the observed in-stream nitrate concentrations. One model demonstrated that the seasonal-pattern in the stream-water nitrate concentrations was controlled mainly by the mixing of ground- and soil-water inputs. An alternative model demonstrated that in-stream processes were important. It is hoped further measurements of nitrate concentrations made in the catchment soil- and ground-water and in-stream may constrain the model and help determine the correct structure, though other recent studies suggest that these data may serve only to highlight the heterogeneity of the system. Thus when making model-based assessments and forecasts it is recommend that all possible models are used, and the range of forecasts compared. In this study both models suggest that cereal production contributed approximately 50% the simulated in-stream nitrate toad in the two catchments, and the point-source contribution to the in-stream load was minimal. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Multivariate relationships between groundwater chemistry and toxicity in an urban aquifer

Multivariate statistical methods were used to investigate file Causes of toxicity and controls on groundwater chemistry from 274 boreholes in an Urban area (London) of the United Kingdom. The groundwater was alkaline to neutral, and chemistry was dominated by calcium, sodium, and Sulfate. Contaminants included fuels, solvents, and organic compounds derived from landfill material. The presence of organic material in the aquifer caused decreases in dissolved oxygen, sulfate and nitrate concentrations. and increases in ferrous iron and ammoniacal nitrogen concentrations. Pearson correlations between toxicity results and the concentration of individual analytes indicated that concentrations of ammoinacal nitrogen, dissolved oxygen, ferrous iron, and hydrocarbons were important where present. However, principal component and regression analysis suggested no significant correlation between toxicity and chemistry over the whole area. Multidimensional Scaling was used to investigate differences in sites caused by historical use, landfill gas status, or position within the sample area. Significant differences were observed between sites with different historical land use and those with different gas status. Examination of the principal component matrix revealed that these differences are related to changes in the importance of reduced chemical species.

Upland streamwater nitrate dynamics across decadal to sub-daily timescales: a case study of Plynlimon, Wales

Streamwater nitrate dynamics in the River Hafren, Plynlimon, mid-Wales were investigated over decadal to sub-daily timescales using a range of statistical techniques. Long-term data were derived from weekly grab samples (1984–2010) and high-frequency data from 7-hourly samples (2007–2009) both measured at two sites: a headwater stream draining moorland and a downstream site below plantation forest. This study is one of the first to analyse upland streamwater nitrate dynamics across such a wide range of timescales and report on the principal mechanisms identified. The data analysis provided no clear evidence that the long-term decline in streamwater nitrate concentrations was related to a decline in atmospheric deposition alone, because nitrogen deposition first increased and then decreased during the study period. Increased streamwater temperature and denitrification may also have contributed to the decline in stream nitrate concentrations, the former through increased N uptake rates and the latter resultant from increased dissolved organic carbon concentrations. Strong seasonal cycles, with concentration minimums in the summer, were driven by seasonal flow minimums and seasonal biological activity enhancing nitrate uptake. Complex diurnal dynamics were observed, with seasonal changes in phase and amplitude of the cycling, and the diurnal dynamics were variable along the river. At the moorland site, a regular daily cycle, with minimum concentrations in the early afternoon, corresponding with peak air temperatures, indicated the importance of instream biological processing. At the downstream site, the diurnal dynamics were a composite signal, resultant from advection, dispersion and nitrate processing in the soils of the lower catchment. The diurnal streamwater nitrate dynamics were also affected by drought conditions. Enhanced diurnal cycling in Spring 2007 was attributed to increased nitrate availability in the post-drought period as well as low flow rates and high temperatures over this period. The combination of high-frequency short-term measurements and long-term monitoring provides a powerful tool for increasing understanding of the controls of element fluxes and concentrations in surface waters.

Characterising phosphorus and nitrate inputs to a rural river using high-frequency concentration-flow relationships

The total reactive phosphorus (TRP) and nitrate concentrations of the River Enborne, southern England, were monitored at hourly interval between January 2010 and December 2011. The relationships between these high-frequency nutrient concentration signals and flow were used to infer changes in nutrient source and dynamics through the annual cycle and each individual storm event, by studying hysteresis patterns. TRP concentrations exhibited strong dilution patterns with increasing flow, and predominantly clockwise hysteresis through storm events. Despite the Enborne catchment being relatively rural for southern England, TRP inputs were dominated by constant, non-rain-related inputs from sewage treatment works (STW) for the majority of the year, producing the highest phosphorus concentrations through the spring–summer growing season. At higher river flows, the majority of the TRP load was derived from within-channel remobilisation of phosphorus from the bed sediment, much of which was also derived from STW inputs. Therefore, future phosphorus mitigation measures should focus on STW improvements. Agricultural diffuse TRP inputs were only evident during storms in the May of each year, probably relating to manure application to land. The nitrate concentration–flow relationship produced a series of dilution curves, indicating major inputs from groundwater and to a lesser extent STW. Significant diffuse agricultural inputs with anticlockwise hysteresis trajectories were observed during the first major storms of the winter period. The simultaneous investigation of high-frequency time series data, concentration–flow relationships and hysteresis behaviour through multiple storms for both phosphorus and nitrate offers a simple and innovative approach for providing new insights into nutrient sources and dynamics.