500 Naturwissenschaften und Mathematik
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Studies have shown that wastewater treatment plant (WWTP) effluents are the major pathways of organic and inorganic chemicals of anthropogenic use (=micropollutants) into aquatic environments. There, micropollutants can be transferred to ground water bodies - and may finally end up in drinking water - or cause various effects in aquatic organisms like multiple resistances of bacteria. Hence, the upgrading of WWTPs with the aim to reduce the load of those micropollutants is currently under discussion.
Therefore, the primary objective of this thesis was to assess ecotoxicological effects of wastewater ozonation, a tertiary treatment method, using specifically developed toxicity tests with Gammarus fossarum (Koch) at various levels of ecological complexity. Several studies were designed in the laboratory and under semi-field conditions to cope with this primary objective. Prior to the investigations with ozone treated wastewater, the ecotoxicity of secondary treated (=non-ozone treated) wastewater from WWTP Wüeri, Switzerland, for the test species was assessed by a four-week experiment. This experiment displayed statistically significant impairments in feeding, assimilation and physiological endpoints related to population development and reproduction. The first experiment investigating ecotoxicological implications of ozone application in wastewater from the same WWTP displayed a preference of G. fossarum for leaf discs conditioned in ozone treated wastewater when offered together with leaf discs conditioned in non-ozone treated wastewater. This effect seems to be mainly driven by an alteration in the leaf associated microbial community. Another series of laboratory experiments conducted also with wastewater from WWTP Wüeri treated with ozone at the lab- or full-scale, revealed significantly increased feeding rates of G. fossarum exposed to ozone treated wastewater compared to non-ozone treated wastewater. These laboratory experiments also indicated that any alteration in the organic matrix potentially caused by ozone treatment is not related to the effects in feeding as this endpoint showed only negligible deviation in secondary treated wastewater, which contained hardly any (micro)pollutants (i.e. pharmaceuticals), from the same wastewater additionally treated with ozone. Moreover, it was shown that shifts in the dissolved organic carbon (DOC) profile do not affect the feeding rate of gammarids. In situ bioassays conducted in the receiving stream of the WWTP Wüeri confirmed the results of the laboratory experiments by displaying significantly reduced feeding rates of G. fossarum exposed below the WWTP effluent if non-ozone treated wastewater was released. However, at the time the ozonation was operating, no adverse effects in feeding rates were observed below the effluent compared to the unaffected upstream sites. Also population studies in on-site flow-through stream microcosms displayed an increased feeding and a statistically significantly higher population size after ten weeks when exposed to ozone treated wastewater compared to non-ozone treated wastewater.
In conclusion, the present thesis documents that ozonation might be a suitable tool to reduce both the load of micropollutants as well as the ecotoxicity of wastewaters. Thus, this technology may help to meet the requirements of the Water Framework Directive also under predicted climate change scenarios, which may lead to elevated proportions of wastewater in the receiving stream during summer discharge. However, as ozone application may also produce by-products with a higher toxicity than their parent compounds, the implementation of this technique should be assessed further both via chemical analysis and ecotoxicological bioassays.
Investigating the environmental fate of iodinated X-ray contrast media in the urban water cycle
(2010)
Iodinated X-ray contrast media (ICM) are a group of emerging contaminants which have been detected at elevated concentrations in the aquatic environment. These compounds are excreted unmetabolized into hospital wastewater, and eventually treated at wastewater treatment plants (WWTPs). The removal of ICM in WWTPs has not been very effective and therefore the ICM enter the aquatic environment via WWTP effluent discharges. Research has investigated the removal of selected ICM via abiotic and biotic processes, however limited work has attempted to determine the fate of these compounds once released into the environment. This thesis investigates the biotransformation of four selected ICM (diatrizoate, iohexol, iomeprol, and iopamidol) in aerobic soil-water and sediment-water systems as well as in different environmental matrices. Iohexol, iomeprol and iopamidol were biotransformed to several TPs in the aerobic batch systems, while no biotransformation was observed for the ionic ICM, diatrizoate. In total 34 biotransformation products (TPs) of the three non-ionic ICM were identified. The combination of semi-preparative HPLC-UV, hybrid triple quadrupole-linear ion trap mass spectrometry (Qq-LIT-MS) was found to be an accurate approach for the structural elucidation of ICM TPs. The ICM TPs resulted in microbial transformation occurring at the side chains of the parent ICM, with the iodinated aromatic ring unmodified.
Diese Arbeit untersucht die Biozönosen kontaminierter schlammig-schluffiger Sedimente in Stillwasserzonen großer Flüsse. Diese feinkörnigen und weichgründigen Sedimente beherbergen Lebensgemeinschaften, die zu einem großen Teil als Meiozoobenthos angesprochen werden und im Vergleich zu den Makrozoobenthos-Biozönosen grobkörniger und hartgründiger Fließgewässer und den Meiobenthos-Biozönosen der Küsten-, Tiden- und Ästuarbereiche bisher nur unzulänglich untersucht worden sind. Da die feinkörnigen Sedimente eine große Kapazität zur Schadstoffbindung haben, sind sie generell von großem ökotoxikologischen und wasserbaulichen Interesse. Ziele der Arbeit: (1) Entwicklung einer quantitativen Methode zur Bestandserfassung. (2) Untersuchung der lokalen und saisonalen Dynamik der benthischen Metazoen- Biozönose in Schluffsedimenten. (3) Ermittlung der Einflüsse chemischer und physikalischer Sedimenteigenschaftenrnauf die Biozönosen. (4) Beschreibung der Resilienz der Benthos-Biozönosen schluffiger Sedimente; Einfluss katastrophaler Ereignisse.
Entwicklung eines Computermodells der lumbalen Wirbelsäule zur Bestimmung mechanischer Belastungen
(2009)
Ziel der Arbeit war die Erstellung eines MKS-Modells der menschlichen lumbalen Wirbelsäule zur Ermittlung der mechanischen Belastungen innerer Körperstrukturen. Die Oberflächen der Wirbelkörper wurden aus CT-Daten menschlichen Sektionsguts als CAD-Oberflächen generiert und bilden das Grundgerüst des Modells. Die genaue Positionierung des Facettengelenke ist dabei vorgegeben ebenso wie die Ansatzpunkte und Verlaufsrichtungen der ligamentösen Strukturen. Zwischen den starren Wirbelkörpern wurden elastische Bandscheiben eingeführt, deren Mittelpunkte als jeweiliges Drehzentrum der entsprechenden funktionalen Einheiten definiert sind. Damit sind gleichzeitig die Hebelarme zu den Ansatzpunkten der einzelnen Bänder festgelegt. Das mechanische Verhalten dieser verschiedenen Strukturen wurde über physiologische Gleichungen oder Kennlinien in das Modell implementiert. So wurde für die Facettengelenke ein Ansatz für Kontaktkräfte in horizontaler Richtung eingeführt. Für die Kraftentwicklung bei Dehnung der Bänder fanden individuelle Kennlinien aus der Literatur Verwendung. Bei der Deformation der Bandscheiben folgt die Kraftentwicklung einer mechanischen Relation in Abhängigkeit der Deformation sowie der Deformationsgeschwindigkeit. Die entsprechenden Materialkonstanten in den Gleichungen wurden über experimentelle Messdaten aus der Literatur ermittelt. Dem Aufbau von Drehmomenten bei Auslenkung der Bandscheiben um die drei möglichen Rotationsachsen liegen wiederum Kennlinien aus der Literatur zugrunde. In Anpassung an diese experimentell ermittelten Kurven wurden mechanische Gleichungen entwickelt, die letztendlich in das Modell implementiert wurden und die bei jeweiliger Verdrehung der Bandscheibe die Entwicklung eines entsprechenden Moments angeben. Die Validierung des Modells erfolgt auf der einen Seite über die Gleichgewichtsbedingung, bei der die Summe aller Kräfte und Drehmomente bezüglich des Schwerpunkts einer funktionalen Einheit Null sein muss. Dieser Zustand konnte mit dem Modell eindeutig nachgewiesen werden. Auf der anderen Seite konnten punktuell Messergebnisse aus der Literatur über die Modellrechnungen in guter Näherung reproduziert werden. Hier besteht jedoch die Schwierigkeit, dass Messungen an Sektionsgut immer nur in isoliertem Zustand und in einem definierten Versuchsaufbau mit Belastung nur einer Richtung durchgeführt wurden. Innerhalb des Modells befinden sich die Strukturen in einem beweglichen Verbund und unterliegen damit vielfältigen mechanischen Einflüssen, was der Realität im menschlichen Körper auch wesentlich mehr entspricht. Dennoch spiegelt das Materialverhalten der elastischen Elemente innerhalb des Modells größenordnungsmäßig die Ergebnisse der verschiedensten experimentellen Messungen aus der Literatur wider. Zur Simulation unterschiedlicher Belastungssituationen wurde das Modell der Lendenwirbelsäule in verschiedenen Fallbeispielen der Einwirkung einer jeweils konstanten äußeren Kraft unterschiedlicher Größe ausgesetzt. Nach einer kurzen Phase der Bewegung aller Teilstrukturen stellte sich in jedem gerechneten Fallbeispiel ein neuer Gleichgewichtszustand ein. Für alle implementierten Strukturen, wie Bandscheiben, Bänder und Facettengelenke, konnte der zeitliche Verlauf der Belastungszunahme sowie die Belastung im Endzustand berechnet werden. Eine Überprüfung ergab, dass sich alle Ergebnisse im physiologisch gesunden Wertebereich befanden. Damit ist der Nachweis erbracht, dass mit dem vorliegenden Modell ein Instrument entwickelt wurde, das im Rahmen der Genauigkeit des Modells die Belastung der inneren Strukturen bei äußerer Krafteinwirkung zuverlässig berechnet werden können. Die Anwendungen eines derartigen Modells sind vielfältiger Art. Durch Variationen von Parametern können die verschiedensten Situationen simuliert werden. Beispiele sind hier die Auswirkung von degenerierten Bandscheiben mit völlig anderem Materialverhalten auf die umgebenden gesunden Teilstrukturen. Weitere Krankheitsbilder wie schwache Bänder, Wirbelgleiten, Knochenveränderungen oder auch der Einfluss von operativen Maßnahmen wie Versteifung einzelner Abschnitte oder die Einsetzung von Implantaten können damit simuliert werden und ermöglichen quantitative Aussagen über die Veränderung der Beanspruchung der angrenzenden Strukturen. Als Beispiel einer Anwendung in der Medizin wurde der Fall einer degenerierten Bandscheibe aufgezeigt. Die Bandscheibe wurde chirurgisch entfernt und durch ein Implantat zur Versteifung ersetzt. Mit Hilfe der Simulationsrechnung wurde die Auswirkung der Versteifung auf die Deformation der angrenzenden Bandscheiben und die veränderte Kraftentwicklung dargelegt.