Abschlussbericht des Graduiertenkollegs (pdf) - Zentrum für ...

Johannes Gutenberg - Universität – Zentrum für Umweltforschung
DFG-Graduiertenkolleg
KREISLÄUFE, AUSTAUSCHPROZESSE UND WIRKUNGEN
VON STOFFEN IN DER UMWELT
Abschlußbericht
Mainz, den 20. Dezember 2000
Bearbeitung:
Dr. J. Eichhorn
Institut für Physik der Atmosphäre

Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeine Angaben 8
1.1 Sprecher und beteiligte Hochschullehrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Zusammensetzung des Kollegs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Umsetzung der Zielsetzung und Konzeption des Kollegs 8
3 Auswahl der Stipendiaten und Kollegiaten 10
4 Durchführung des Ausbildungsprogramms 11
4.1 Ringvorlesung ” Kreisläufe in der Natur“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2 Ringvorlesung ” Umweltanalytik“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.3 Praktikum ” Analytik“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.4 Kolloquium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.5 Interne Tagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.6 Erfolgskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5 Gastwissenschaftlerprogramm 15
6 Projekte am Fachbereich 18 (Physik) 17
6.1 Aerosolphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.1.1 Größenverteilung und chemische Zusammensetzung von Partikeln in Wolkenwasser
und der umgebenden Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.1.2 Vertikalprofile von Größenverteilungen und chemischer Zusammensetzung des atmosphärischen
Aerosols in mariner und kontinentaler Luft . . . . . . . . . . . . . 17
6.1.3 Messungen des remote continental Aerosols in Sibirien . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.1.4 Holografie von Wolkenvolumina sowie deren automatisierte Auswertung . . . . . . 19
6.1.5 In-situ Messung großer Hydrometeore mit Hilfe der In-line-Holographie . . . . . . . 20
6.1.6 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 21
6.2 Wolkenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6.2.1 Eine experimentelle und theoretische Untersuchung zur gekoppelten Aufnahme von
Ammoniak, Kohlendioxid und Schwefeldioxid in Wassertropfen . . . . . . . . . . . 21
6.2.2 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 22
6.3 Stadtklima- und Regionalmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.3.1 Bodenrandbedingungen in mesoskaligen Klimamodellen . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.3.2 Die Boundary Element Methode (BEM) zur Simulation atmosphärischer Strömungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.3.3 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 24
6.4 Spurenanalytik in Umweltproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2

6.4.1 Resonanzionisationsmassenspektroskopie an Technetium und Plutonium mit einer
Laserionenquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.4.2 Hochempfindlicher Technetiumnachweis mittels Resonanzionisations - Massenspektrometrie
in Verbindung mit einer Laserionenquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.4.3 Resonante Laserionisations-Massenspektrometrie an Gadolinium zur Isotopenhäufigkeitsanalyse
mit geringsten Mengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6.4.4 Empfindlicher Nachweis toxischer Elemente mittels einer Laserionenquelle . . . . . 27
6.4.5 Messung von 90 Sr in Umweltproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.4.6 Selektiver Ultraspurennachweis von 41 Ca mittels schmalbandiger Resonanzionisations-Massenspektroskopie
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.4.7 Weiterentwicklung des 89,89 Sr-Spurennachweises und erste Analyse synthetischer
Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.4.8 Bestimmung von 89 Sr und 90 Sr mit Resonanz-Ionisations-Spektroskopie in kollinearer
Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.4.9 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 31
7 Projekte am Fachbereich 19 (Chemie) 35
7.1 Kernchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.1.1 Ultraspurenanalyse von Aktinoiden mittels Laser-Massenspektrometrie . . . . . . . 35
7.1.2 Bestimmung der Ionisationsenergien von Curium und Plutonium . . . . . . . . . . 36
7.1.3 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 37
7.2 Physikalische Chemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.2.1 Speziesanalytik quecksilberorganischer Verbindungen und deren Anwendung auf biotische
und abiotische Matrizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.2.2 Entwicklung einer neuartigen, direkt potentiometrischen Immunoelektrode gegen
Atrazin, die auf einem kompetitiven Format beruht . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.2.3 Auswirkungen der organischen Fremdstoffbelastung eines eutrophen Sees in der Region
dos Lagos/Brasilien auf die Kontamination des Grund- und Trinkwassers . . 39
7.2.4 Qualifizierung und Quantifizierung von Fremdstoffen in Wasser und Fischen aus
unterschiedlich belasteten Gewässern mittels Gaschromatographie / Massenspektroskopie
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.2.5 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 40
8 Projekte am Fachbereich 21 (Biologie) 41
8.1 Photosynthese, physiologische Ökologie, Streßphysiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
8.1.1 Ökophysiologische Untersuchungen des Photosyntheseapparates bei Fichte (Picea
abies (L.) Karst) mit Hilfe der Chlorophyllfluoreszenz-Meßtechnik . . . . . . . . . 41
8.1.2 Untersuchungen zum Stickstoff-Assimilationspotential bei Buche in Abhängigkeit
von der Stickstoff-Zufuhr und bei Eiche unter der Einwirkung von Ozon, Kohlendioxid
und Trockenstreß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3

8.1.3 Die Douglasienerkrankung - eine manganinduzierte Nährstoffstörung? Untersuchungen
unter besonderer Berücksichtigung des Eisenhaushaltes . . . . . . . . . . . . . 43
8.1.4 Untersuchung des Stickstoff-Stoffwechsels an Fichten (Picea abies), Buchen (Fagus
sylvatica) und Eichen (Quercus petraea) im Zusammenhang mit dem Auftreten
Neuartiger Waldschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8.1.5 Kausalanalyse und Bioindikation der Neuartigen Waldschäden anhand des Polyamin-
sowie des des Phenolstatus am Beispiel von Picea abies (Fichte), Abies alba
(Weißtanne) und Quercus petraea (Eiche): - Okulare Bonitur versus Bioindikation? 45
8.1.6 Untersuchungen zum Gehalt an Ascorbat, α-Tocopherol, Polyaminen und Mineralien
in Fichtennadeln von 46 Freilandstandorten in der BRD. Bioindikation im Zusammenhang
mit den ” Neuartigen Waldschäden“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.1.7 Planung und Aufbau computergesteuerter Expositionskammern zur Umweltsimulation
für Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
8.1.8 Vergleichende Untersuchungen der Chlorophyllfluoreszenz bei Buchen (Fagus sylvatica),
Eichen (Quercus petraea) und Fichten (Picea abies) in Zusammenhang mit
den Neuartigen Waldschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8.1.9 Untersuchungen über die Ursachen des ” Eichensterbens“ an drei Stieleichenbeständen
(Quercus robur L.) im Westerwald . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
8.1.10 Vergleichende Untersuchung zum Photosyntheseapparat an Fichten und Eichen unterschiedlicher
Freilandstandorte im Zusammenhang mit den Neuartigen Waldschäden 51
8.1.11 Biochemische Schadinidkation der neuartigen Waldschäden bei Fichten . . . . . . 52
8.1.12 Untersuchungen zum molekularen Mechanismus der Photosystem II-Photoinhibition
an Spinat (Spinacia oleracea L.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8.1.13 Ethylenmetabolismus in Waldbäumen: Untersuchungen zum Gehalt an 1-Aminocyclopropan-Carboxylsäure
(ACC), N - Malonylaminocyclopropan - Carboxylsäure
(MACC) und zur Ethylenproduktion in unterschiedlich geschädigten Fichten, Tannen
und Eiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
8.1.14 Molekularbiologische Untersuchungen der Multigenfamilie der Glutamin-Synthetase
aus Brassica napus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
8.1.15 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 56
8.2 Analyse des Photosyntheseapparates und biochemische Charakterisierung phototropher Algen 59
8.2.1 In-Vivo Chlorophyll a-fluoreszenz von einzelligen Algen zur quantitativen Erfassung
von Herbiziden in Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2.2 DMSP-Gehalt und -Produktion der marinen Nanoalge Prymnesium parvum in
Abhängigkeit von Umweltfaktoren und der Stoffwechselaktivität . . . . . . . . . . 60
8.2.3 Die Wirkung von UV-B Strahlen auf die Produktivität der Planktonalge Phaeodactylum
tricornutum im Vergleich zur Wirkung von starkem Weißlicht: Hemmeffekte
auf den Phytosyntheseapparat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.2.4 Physiologische Charakterisierung von Planktonalgen aus unterschiedlichen Expositionstiefen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.2.5 Molekulare Analyse des Photosyntheseapparates von Phytoplanktonalgen unter
freiland-nahen Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4

8.2.6 Untersuchung der Auswirkungen von UV-B und hoher Lichtstrahlung auf die Produktivität
des Phytoplanktons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.2.7 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 64
8.3 Ökotoxikologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.3.1 Bioakkumulation und Metabolismus von γ-1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexan (Lindan)
und 2-(2,4-Dichlorphenoxy)-propionsäure (Dichlorprop) beim Regenwurm Lumbricus
rubellus (Oligochaeta, Lunbricidea). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.3.2 Toxikokinetik von Umweltchemikalien mit unterschiedlichen Wirkmechanismen bei
der Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3.3 Bioakkumulation und Verteilung von 3,4-Dichloranilin und α-Endosulfan im aquatischen
Laborsystem: ein Vergleich zwischen Einzelspezies- und Mikrokosmos-
Experimenten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.3.4 Qualifizierung und Quantifizierung von Fremdstoffen in Wasser und Fischen aus
unterschiedlich belasteten Gewässern mittels Gaschromatographie / Massenspektroskopie
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.3.5 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 67
8.4 Populationsbiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.4.1 Entwicklung eines Schätzverfahrens für die effektive Populationsgröße einer räumlich
strukturierten Population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.4.2 Modellierung strukturierter Insektenpopulationen. Ein vereinfachter Ansatz im Rahmen
der standardisierten Populationsprognose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.4.3 Untersuchung von genetischen Austauschprozessen bei der Ausbreitung und Evolution
von periodisch-sozialen und sozialen Spinnen der Familie Eresidae . . . . . . . 69
8.4.4 Genetische Variabilität bei Bachforellen (Salmo trutta forma fario) in Rheinland -
Pfalz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.4.5 Untersuchung historischen und rezenten Genaustauschs zwischen südostasiatischen
Festlands- und Inselpopulationen ökologisch unterschiedlich angepaßter Froscharten 70
8.4.6 Modellierung und Simulation der Wirkungen von Fremdstoffen in einem See . . . . 71
8.4.7 Genetische Populationsstruktur und Arealsystemanalyse des Silbergrünen Bläulings
Polyommatus coridon und des Rundaugen-Mohrenfalters Erebia medusa . . . . . . 72
8.4.8 Austauschprozesse zwischen und genetische Struktur von Flußbarschpopulationen 73
8.4.9 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 74
9 Projekte am Fachbereich 22 (Geowissenschaften) 76
9.1 Ökologie und Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
9.1.1 Ökosystemare Bewertung des Bodens - Integrierter Bodenschutz anhand systematisch
entwickelter Bodenqualitätsziele - Ein Betrag zur Umweltverträglichkeitsprüfung
(UVP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
9.1.2 Eine neue Methode der Informationsverknüpfung zur Klassifizierung der Landnutzung
auf der Grundlage hochauflösender Satellitenbilddaten am Beispiel von Landau
und Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9.2 Altlasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5

9.2.1 Standortdifferenzierte Abschätzung von Versickerungsraten für Einzugsgebiete mittlerer
Größe in Hessen als Beitrag zur Ermittlung von Stofffrachten aus dem Boden 78
9.3 Sedimentologie, Geochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9.3.1 Mobilität von Seltenen-Erd-Elementen (SEE) und deren Fixierung in Karbonatphasen 78
9.4 Angewandte Geologie, Hydrogeologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.4.1 Modellierung von Porenraumgeometrien und Transport in korngestützten porösen
Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.4.2 Mobilisation von Schwermetallen aus Fahlerzen in Grundwässern im Bereich Rheinhessisches
Hügelland als Folge anthropogen bedingten Nitrateintrages . . . . . . . 81
9.4.3 Analyse möglicher Grundwasserkontaminationen durch ehemalige Rüstungsstandorte:
Gefährdungsabschätzung mit GIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
9.4.4 Sorption, Migration und Transportverhalten von Sprengstoffen (2,4,6-Trinitrotoluol
und 1,3 - Dinitrobenzol) in der ungesättigten Zone - Experimentelle Studien und
Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9.4.5 Bestimmung und chemische Modellierung der Sorptions-Mechanismen von TNT und
DNB unter definierten Randbedingungen an unterschiedlichen Bodenmaterialien . 84
9.4.6 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 85
9.5 Bindung und Mobilität ökotoxischer Metalle und Metalloide im Bereich von Lagerstätten
und Halden in Rheinland-Pfalz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9.5.1 Bindungsformen, Mobilität und Aufnahmeverhalten von Uran in Vererzungen, Böden
und Pflanzen im Saar-Nahe-Gebiet, Rheinland-Pfalz . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9.5.2 Erfassung und Quantifizierung von Quecksilber-, Arsen- und Antimonverbindungen
im Bereich Boden - Pflanze eines historischen Quecksilber-Bergbaugebietes im Nordpfälzer
Bergland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
10 Projekte am Max-Planck-Institut für Chemie 89
10.1 Biogeochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
10.1.1 Messungen von Lachgas (N2O) und Methan (CH4) in europaeischen Nebenmeeren 89
10.1.2 Die Abgabe von organischen Säuren an die Atmosphäre durch Pflanzen verschiedener
Entwicklungsstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
10.1.3 Modellierung der biogenen Emissionen von Stickoxiden und flüchtigen organischen
Verbindungen aus Ökosystemen des Amazonasgebietes . . . . . . . . . . . . . . . 90
10.1.4 Spurengasaustausch klimarelevanter reduzierter Schwefelverbindungen zwischen
Biosphäre und Atmosphäre: COS Transfer der Flechten und anderer biotischer Kompartimente
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
10.1.5 Herkunft und Massenbilanz von Blei in metallreichen Sediemnten . . . . . . . . . 91
10.1.6 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 92
10.2 Luftchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10.2.1 Messung und Interpretation von 13 C, 14 C, 17 O und 18 O Variationen in Atmosphärischem
Kohlenmonoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10.2.2 Anomalien ozonchemisch relevanter Spurengase, Feldmessungen und Modellierung 96
6

10.2.3 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg . . . . . . . 96
11 Statistische Angaben zu Kollegiaten / Stipendiaten 99
12 Zusammenfassende Bewertung 120
7

1 Allgemeine Angaben
Das Graduiertenkolleg ” Kreisläufe, Austauschprozesse und Wirkungen von Stoffen in der Umwelt“ wurde
am 6. August 1990 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft für zunächst drei Jahre, beginnend mit
dem 1. Oktober 1990, bewilligt. Es folgten zwei Verlängerungen um jeweils 3 Jahre, so daß die reguläre
Förderungszeit am 30. September 1999 endete. Fristgerecht begonnene Dissertationsvorhaben wurden im
Rahmen einer Auslauffinanzierung maximal 12 weitere Monate gefördert. Zum 30. September 2000 endete
damit die Förderung des Graduiertenkollegs durch die DFG endgültig.
Der vorliegende Arbeitsbericht gibt einen Überblick über die im Laufe der Förderungsperiode abgelaufenen
Aktivitäten und über die beteiligten Forschungsprojekte.
1.1 Sprecher und beteiligte Hochschullehrer
Das Graduiertenkolleg wird getragen von den Fachbereichen (FB) 18 (Physik), 19 (Chemie und Pharmazie),
21 (Biologie) und 22 (Geowissenschaften) der Johannes Gutenberg - Universität Mainz sowie dem Max-
Planck-Institut für Chemie in Mainz (MPI), eine Liste aller beteiligten Dozenten ist auf Seite 9 zu finden.
Sprecher
Prof. Dr. Ruprecht Jaenicke
Institut für Physik der Atmosphäre
Becherweg 21
55099 Mainz
Organisation
Dr. J. Eichhorn
Institut für Physik der Atmosphäre
1.2 Zusammensetzung des Kollegs
Die Sollstärke des Graduiertenkollegs betrug gemäß Bewilligungsbescheid vom 28. Juni 1993 18 Doktoranden
sowie 2 Postdoktoranden, jeweils mit Stipendium. In der ersten Förderperiode betrug die Zahl der
Doktorandenstipendien 15. Durch die zu unterschiedlichen Zeiten ausscheidenden Doktoranden aus der
ersten Förderungsperiode, sowie teilweise eintretende Verzögerungen bei der Neubesetzung von Stipendien
ergab sich eine ausgeprägte Fluktuation bei der Zusammensetzung des Kollegs.
Insgesamt wurden während der Laufzeit des Kollegs 59 Doktoranden sowie 20 Postdoktoranden zeitweise
finanziell gefördert, 11 weitere Doktoranden haben als Kollegiaten ohne finanzielle Förderung an den
Veranstaltungen des Graduiertenkollegs teilgenommen.
Berichte zu allen abgeschlossenen bzw. bei Ende der Auslauffinanzierung noch laufenden Projekten sind
in den Abschnitten 6 bis 10 zu finden, Daten zu Studienabschluß, Förderungsdauer, Promotion etc. der
beteiligten Stipendiaten und Kollegiaten folgen als Ergänzung in Abschnitt 11.
2 Umsetzung der Zielsetzung und Konzeption des Kollegs
Die Umsetzung der Zielvorgabe erfolgte durch
• Ringvorlesungen,
• Angebot an relevanten Forschungsthemen,
8

Beteiligte Hochschullehrer und wissenschaftliche Mitarbeiter
FB 18
Prof. Dr. R. Jaenicke Institut für Physik der Atmosphäre
Prof. Dr. G. Huber Institut für Physik ab 1995
Prof. Dr. H.J. Kluge Institut für Physik bis 1994
Prof. Dr. E. Otten Institut für Physik ab 1994
Prof. Dr. H. Pruppacher Institut für Physik der Atmosphäre bis 1996
Prof. Dr. E. Rühl Institut für Physik 1995 bis 1996
Prof. Dr. W. Zdunkowski Institut für Physik der Atmosphäre bis 1999
Prof. Dr. G. Zimmermann Institut für Physik der Atmosphäre ab 1992
FB 19
Prof. Dr. W. Baumann Institut für Physikalische Chemie
Prof. Dr. G. Herrmann Institut für Kernchemie bis 1994
Dr. N. Trautmann Institut für Kernchemie
FB 21
Prof. Dr. R. Nagel Institut für Zoologie bis 1995
Prof. Dr. H.-J. Poethke Institut für Zoologie 1996 bis 1997
Prof. Dr. A. Seitz Institut für Zoologie
Prof. Dr. A. Wild Institut für Allgemeine Botanik
Prof. Dr. C. Wilhelm Institut für Allgemeine Botanik bis 1996
FB 22
Prof. Dr. M. Domrös Geographisches Institut
Prof. Dr. W. Dosch Institut für Geowissenschaften bis 1994
Prof. Dr. R. Gaupp Institut für Geowissenschaften bis 1997
Priv.-Doz. Dr. V. Heidt Geographisches Institut
Prof. Dr. W. Hofmeister Institut für Geowissenschaften ab 1997
Prof. Dr. R. Oberhänsli Institut für Geowissenschaften bis 1995
Prof. Dr. H.v. Platen Institut für Geowissenschaften bis 1994
Prof. Dr. J. Preuß Geographisches Institut ab 1998
Prof. Dr. D. Schenk Institut für Geowissenschaften ab 1993
MPI für Chemie
Prof. Dr. M.O. Andreae Abteilung Biogeochemie
Prof. Dr. P. Crutzen Abteilung Luftchemie
Dr. G. Helas Abteilung Luftchemie ab 1996
Priv.-Doz. Dr. J. Kesselmeier Abteilung Biogeochemie
Dr. F.-X. Meixner Abteilung Luftchemie ab 1996
Dr. D. Perner Abteilung Luftchemie
Prof. Dr. P. Warneck Abteilung Luftchemie bis 1994
9

• Kolloquien mit der Vorstellung und Diskussion der Forschungsarbeiten,
• Kolloquien mit geladenen Gästen,
• gemeinsame Arbeiten mit Besuchern,
• intensive Betreuung durch die beteiligten Hochschullehrer, wobei nach Möglichkeit jeweils zwei Betreuer
aus unterschiedlichen Instituten benannt wurden,
• sowie durch Einbindung der Kollegiaten in die Planung durch Wahl von Doktorandenvertretern zum
Kollegium.
Das in den ersten drei Förderungsjahren entwickelte Konzept wurde in den Folgejahren beibehalten, wobei
auf Anregung der Gutachter des ersten Verlängerungsantrages die Betonung interdisziplinärer Aktivitäten
verstärkt wurde. Die ausgeprägte Interdisziplinarität verlangte, daß erhebliche Aktivitäten auf die Gewinnung
und den Erhalt einer gemeinsamen Sprache und wissenschaftlichen Verständigung aufgewandt
werden müssen. Daher waren auch alle Kollegen zu einer regelmäßigen Teilnahme an den Veranstaltungen
aufgerufen, was zu einer erhöhten Mehrbelastung führte.
Den Abschluß der Ausbildung bildete die Promotion nach der gemeinsamen Promotionsordnung der Fachbereiche
17 bis 22 der Universität Mainz. Auf diese Weise wurde die Kompatibilität zu bestehenden
Abschlüssen erreicht, jedoch auch eine zu einschränkende Spezialisierung vermieden.
3 Auswahl der Stipendiaten und Kollegiaten
Nachdem für die Erstbesetzung der Stipendien eine Anzeige in einer überregionalen Zeitschrift geschaltet,
sowie direkte Anschreiben an Hochschulen und Forschungseinrichtungen gerichtet wurden, ergab sich im
weiteren Verlauf eine gewisse Eigendynamik bei der Neubesetzung von Stipendien. Dies ist bedingt durch
das unregelmäßige Ausscheiden der Stipendiaten aufgrund unterschiedlicher Promotionszeiten bzw. durch
die in Einzelfällen vorgenommene Kündigung von Stipendien. Neuanträge auf Einrichtung von Forschungsprojekten
und Zuweisung von Stipendien wurden daher nach Bedarf im Rahmen der Kollegiumssitzungen
behandelt. Bei der Vergabe wurden dieselben Kriterien zugrunde gelegt, die auch für die Erstbesetzung
galten:
• die vorgegebene Altersgrenze,
• eine Benotung der Diplomprüfung mit gut und besser,
• ein zügiger Ablauf des Studiums bis zum Diplom,
• die fachliche Eignung und das vorherrschende Interesse,
• der Zugang von außerhalb der Universität Mainz.
Durch die nicht mehr bundesweit ausgeschriebenen Stipendien verringerte sich naturgemäß der Anteil von
nicht der Universität Mainz entstammenden Doktoranden. Allerdings wurden regelmäßig weitere Anfragen
nach Stipendienmöglichkeiten von außen an das Graduiertenkolleg herangetragen, von denen einige auch
positiv beschieden werden konnten. Auch für die Auswahl der nicht finanzierten Kollegiaten wurden die
oben genannten Kriterien angewendet. Allerdings wurde hier vorrangig aus dem Pool der bereits in den
Arbeitsgruppen arbeitenden Wissenschaftler geschöpft. Gelegentlich zeigten sich auch völlig außerhalb
stehende Interessenten. Bei Eignung und Interesse wurden sie dem Kollegium zur Aufnahme vorgeschlagen.
10

Das bereits im ersten Bewilligungszeitraum aufgetretene Problem des kurzfristigen Ausscheidens von
Stipendiaten bzw. der Absage von aufgenommenen Kandidaten setzte sich in den Folgejahren fort.
Bei einigen bewilligten Dissertationsprojekten ergaben sich hierdurch Verzögerungen bei der Besetzung.
Überwiegend wurden bessere finanzielle Möglichkeiten auf anderen Stellen oder die Aussicht auf eine dauerhafte
Beschäftigung als Grund für ein vorzeitiges Ausscheiden oder für die Ablehnung eines angebotenen
Stipendiums angegeben.
Der Anteil weiblicher Kollegiate betrug ca. 33 %. Dieser Anteil konnte ohne gezielte Maßnahmen erreicht
werden. Der Anteil von außerhalb Mainz kommender Kollegiaten ist aufgrund der beschriebenen
Problematik der Neubesetzungen von anfänglich ca. 35 % auf durchschnittlich 25 % gesunken.
4 Durchführung des Ausbildungsprogramms
Das Ausbildungsprogramm des Graduiertenkollegs ” Kreisläufe, Austauschprozesse und Wirkungen von Stoffen
in der Umwelt“ umfaßte zwei Ringvorlesungen, ein Praktikum sowie ein Kolloquium, in welchem einerseits
die Kollegiaten über den Fortgang ihrer Arbeiten berichteten, andererseits Gastwissenschaftler in
Sondervorträgen ihre Arbeitsgebiete vorstellten. Die folgenden Abschnitte geben einen Überblick über
Umfang und Inhalte dieser Lehrveranstaltungen.
4.1 Ringvorlesung ” Kreisläufe in der Natur“
Im folgenden sind die in der Vorlesung ” Kreisläufe in der Natur“ abgehandelten Themen aufgelistet. Für
jedes Thema standen insgesamt 4 Vorlesungsstunden zur Verfügung. Die vorgesehene Dauer der Vorlesung
wurde aufgrund der Themenvielfalt jeweils um einige Wochen überschritten.
• Spurengaskreisläufe in der Atmosphäre (P. Warneck)
• Kreisläufe in der Natur - Beispiel Atmosphäre (R. Jaenicke)
• Photochemie und Strahlungsprozesse in der Stratosphäre und Mesosphäre (P. Crutzen)
• Naßdeposition von Aerosolpartikeln und Schadstoffgasen (H. Pruppacher)
• Austauschprozesse zwischen Ozean und Atmosphäre (M. Andreae)
• Einfluß der terrestrischen Vegetation auf die Atmosphäre (J. Kesselmeier)
• Biomassenverbrennung (J.G. Goldammer, Gastvortrag)
• Numerische Modellierung der regionalen und lokalen atmosphärischen Zirkulationen sowie der Ausbreitung
von Schadstoffen (W. Zdunkowski, J. Eichhorn)
• Globale Ausbreitungsvorgänge (G. Zimmermann)
• Stadtökologie, Luftreinhaltung, Immissionsökologie (M. Domrös)
• Landschaftsplanung, Umweltverträglichkeitsprüfung (V. Heidt)
• Die Rolle der photoautotrophen Pflanzen in den Stoff- kreisläufen des Kohlenstoffs, Sauerstoffs,
Stickstoffs und Schwefels (A. Wild)
• Physiologie ökologisch relevanter Austauschprozesse zwischen Pflanzen und Umwelt unter besonderer
Berücksichtigung von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwermetallen (C. Wilhelm)
11

• Wechselwirkungen zwischen Fremdstoffen und Tieren (R. Nagel)
• Austauschprozesse in und zwischen Populationen (A. Seitz)
• Mineralbestand der magmatischen und metamorphen Gesteine der oberen Erdkruste (H. v. Platen)
• Geochemische Austauschprozesse und Stofftransport in der Kruste (R. Oberhänsli)
• Tonminerale (W. Dosch)
• Sedimentologie (R. Gaupp)
• Hydrogeologie (D. Schenk)
• Umweltradioaktivität (G. Herrmann, N. Trautmann)
4.2 Ringvorlesung ” Umweltanalytik“
Die Vorlesung ” Umweltanalytik“ beinhaltete die folgenden Einzelbeiträge.
• Neutronenaktivierunganalyse (N. Aras, Gastvortrag)
• Versuchsplanung (W. Baumann)
• Chromatographie (W. Baumann)
• Massenspektroskopie (H.-J. Kluge)
• Optische Methoden (H.-J. Kluge)
• Radiochemische Methoden (K. Lützenkirchen, Institut für Physik, Gastvortrag)
• Elektrochemie (K. Lützenkirchen, Institut für Physik, Gastvortrag)
• Organische Spurenanalytik (W. Dünges, Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie,
gastvortrag)
• Röntgenspektroskopische Methoden (R. Oberhänsli)
• Analytik in Pflanzen und Tieren (C. Wilhelm)
• Statistik (C. Wilhelm)
4.3 Praktikum ” Analytik“
Das Praktikum über Analytische Methoden wurde insgesamt dreimal durchgeführt. Aufgrund der
veränderlichen Kollegiumszusammensetzung und der damit verbundenen geringfügigen Verlagerungen der
Forschungsschwerpunkte ergaben sich teilweise unterschiedliche Inhalte. Die Praktika wurden jeweils innerhalb
der vorlesungsfreien Zeit innerhalb von fünf Tagen durchgeführt.
Eine Zusammenstellung der angebotenen Versuchsblöcke ist der Tabelle auf Seite 13 zu entnehmen.
12

Praktikum ” Analytik“
Nagel, Ternes GC-MS: Qualifizierung und Quantifizierung von Atrazin in Wasser;
Extraktionsverfahren; Anreicherung
Wilhelm, Wild HPLC: Qualifizierung und Quantifizierung von Atrazin in Wasser; Extraktionsverfahren;
Anreicherung; Standards, Trennungsoptimierung
Kratz, Trautmann RFA/Neutronenaktivierung: Nachweis von Cu und Hg in
v.Platen, Kritsotakis
Klärschlamm; Referenzproben, Reaktorbesichtigung
AAS, ICP,RFA: Nachweis von Cu und Hg in Böden und Gestein; simultaner
Mehrelementnachweis
Kluge, Wendt MS: Massenfilter, Besichtigung; Nachweis von SF6, Methan, org.
Lösungsmitteln (Atrazin)
Baumann,
Jaenicke
Holthues, Weiß, Immunoassay: Atrazin in Wasser, Sammlung von Regenwasser
Schenk Eintagesexkursion: Probenahme mit Rücksicht auf spätere Analysen
Schenk sequentielle Bindungsformanalyse, Ionenchromatographie
Kritsotakis AAs, ICP, Wasser- und Sedimentproben
Wilhelm Analysen zur Charakterisierung der Trophie von Gewässern (Biovolumen,
Chlorophyll, Phytoplankton)
Kratz, Trautmann, Wendt Neutronenaktivierunganalyse, hochselektive Laser-MS
4.4 Kolloquium
Im Kolloquium des GK mußten alle Kollegiaten unabhängig von einer finanziellen Förderung ca. einmal
jährlich in einem kurzen Referat über den Fortgang ihrer Arbeiten berichten. Im ersten Turnus dieser
Vortragsreihe wurden die Einzelveranstaltungen jeweils von den betreuenden Hochschullehrern eröffnet,
die eine Beschreibung der Aktivitäten der jeweiligen Arbeitsgruppe gaben. Den Kollegiaten verblieb die
Aufgabe, die Ziele ihrer Arbeiten darzustellen. Derartige Übersichtsvorträge wurden auch bei Neueintritt
von Hochschullehrern in das Graduiertenkolleg angesetzt. Aufgrund der relativ hohen Gesamtzahl von
Doktoranden (inklusive der nicht geförderten Kollegiaten zeitweise ca. 30) konnte die angestrebte Zahl von
einem Vortrag pro Jahr und Kollegiat nicht eingehalten werden, stattdessen wurden von den Doktoranden
jeweils zwei Vorträge, einer nach ca. einem Jahr Zugehörigkeit zum Kolleg, ein weiterer kurz vor oder nach
Abschluß der Dissertation, gehalten.
Das von den Kollegiaten gestaltete Kolloquium fand in wöchentlichem Rhythmus statt. Unterbrechungen
dieses Turnus ergeben sich durch Gastvorträge sowie erforderlichenfalls für die Planungs- und Koordinationssitzungen
der beteiligten Hochschullehrer.
4.5 Interne Tagung
Am 24. Oktober 1994 wurde in Obermoschel einmalig eine interne Tagung der Graduiertenkollegsteilnehmer
durchgeführt. Diese wurde in Form eines workshop training abgehalten. Für ein hypothetisch vorgegebenes
Hauptthema (Forschungs- und Untersuchungsaufgaben im Zuge eines angenommenen Ausbaus
des Mainzer Flugplatzes) wurden drei Arbeitskreise gebildet, die zu den ihnen zugewiesenen Einzelthemen
Arbeitskonzepte erstellen bzw. diskutieren sollten. Im einzelnen wurden die Themenkreise
• Bestandsaufnahme bestehender Umweltbelastungen
• Prognose zukünftiger Belastungen
• Ergebniswertung, ” Schnittstelle“ zur Politik
13

ehandelt. Die Ergebnisse der einzelnen Arbeitsgruppen wurden zum Abschluß in einer gemeinsamen
Besprechung zusammengeführt.
Begleitet wurde die Veranstaltung von einer Posterausstellung, in der alle Doktoranden den gegenwärtigen
Stand ihrer Arbeiten dokumentierten. Der Verlauf der Tagung wurde von allen Beteiligten als positiv gewertet,
einzig die zeitliche Beschränkung auf einen Tag wurde als Hindernis für eine ausführliche Diskussion
der einzelnen Themen empfunden.
4.6 Erfolgskontrolle
Eine Erfolgskontrolle wurde durch die regelmäßigen Kolloquien und Berichterstattung erreicht, des weiteren
durch die Diskussion mit den betreuenden und begleitenden Hochschullehrern und Ansprechpartnern, die
regelmäßige Teilnahme an den Kolloquien und Vorlesungen und einer thematisch selektierten Teilnahme
am Umwelttag der Universität mit Vorträgen und Postern.
Als Abschlußprüfung gilt die Promotion gemäß der gemeinsamen Promotionsordnung. Die durchschnittliche
Zeitspanne zwischen Beginn eines Dissertationsprojektes und Promotion betrug 40 Monate. Damit konnte
gegenüber der in den naturwissenschaftlichen Fächern üblichen Promotionsdauer von 4 - 5 Jahren eine
deutliche Verkürzung erreicht werden. Die Stipendiendauer von normalerweise 3 Jahren erscheint in diesem
Zusammenhang als angemessen. Nicht berücksichtigt wurden bei dieser Statistik die dem Graduiertenkolleg
ohne finanzielle Förderung angehörenden Doktoranden.
14

5 Gastwissenschaftlerprogramm
Gastwissenschaftler wurden eingeladen zu Vorträgen und Diskussionen im Rahmen des GK - Kolloquiums,
sowie auch zu längerfristigen Besuchen, bei denen eine aktive Mitarbeit in den besuchten Arbeitsgruppen
und eine intensive Zusammenarbeit mit den Kollegiaten praktiziert wurde. Die folgenden Wissenschaftler
waren als Gäste des Graduiertenkollegs tätig:
Prof. Dr. N. Aras (Ankara, Türkei), Arbeitsgruppe Kluge, Aufenthaltsdauer 3 Monate (1991)
Prof. Dr. R. J. Silva (Livermore, USA), Arbeitsgruppe Herrmann/Trautmann (1991)
Priv.-Doz. Dr. W. Pietsch (Dresden) Gastvortrag (1991)
Dr. B. Jansyk (Prag, CSFR) Gastvortrag (1991)
Prof. Dr. A. Rebello-Wagner (Rio de Janeiro, Brasilien) Arbeitsgruppe Baumann, Gastvortrag (1991)
Elke Haase (Oldenburg) Gastvortrag (1992)
Prof. Dr. H. Roeser (Ouro Petro, Brasilien) Arbeitsgruppe Baumann, Gastvortrag (1992 und 1997)
Dr. Stephan Borrmann (National Center of Atmospheric Research, Boulder, Colrado / USA) Arbeitsgruppe
Jaenicke, Gastvortrag (1993)
Prof. Dr. A. Miguel (Universität São Paulo, Brasilien) Gastvortrag (1993)
Prof. Dr. H. D. Schorscher (Universität São Paulo, Brasilien) Arbeitsgruppe Oberhänsli, mehrere Vorträge
im GK-Seminar (1993 und 1994)
Prof. Dr. T. H. Nash (Department of Botany, Arizona State University, Tempe, USA) Arbeitsgruppe
Kesselmeier, (1993 und 1995)
Prof. Dr. M. D. Fox (School of Geography, University of New South Wales, Australien) Arbeitsgruppe
Domrös, Gastvortrag, (1994)
Dr. N. T. Tin (Water Quality Laboratory, Sub-Institute of Water Resources, Planning and Management,
Ho Chi Minh City, Vietnam) Arbeitsgruppe Domrös (1994)
Prof. Dr. W. C. Purdy (Department of Chemistry, McGill University, Montreal, Canada) Gastvortrag
(1995)
Prof. Dr. K. Rahn (Center for Atmosheric Chemistry Studies, Graduate School of Oceanography, University
of Rhode Island, Narragansett, USA) Arbeitsgruppe Jaenicke (1995)
Prof. Dr. J. Sturdevant (Universität Niteroi, Brasilien) Arbeitsgruppen Baumann, Wilhelm, Schenk
(1995)
Dr. Gyula Surányi (Institute of Plant Biology, Hungarian Academy of Sciences, Szeged) Arbeitsgruppe
Wilhelm (1995)
Prof. Dr. M. X. Wang (Academica Sinica, Institute of Atmospheric Physics, Beijing, VR China) Arbeitsgruppe
Jaenicke (1996 und 1997)
S. Skouratov (Zentrales Aerologisches Observatorium, Dolgoprudny, Rußland) , Arbeitsgruppe Jaenicke
(1996)
Dr. B. A. Bushaw (Richland, WA 99352, USA) Arbeitsgruppe Otten (1997)
15

Dr. S. Torr (Natural Resources Institute, Insect Chemistry Group, Kent, U.K.) Arbeitsgruppe Meixner
(1997)
S. Caquineau (LISA, Universität Paris, Frankreich) Arbeitsgruppe Jaenicke, Gastvortrag (1997)
Dr. V. I. Mishin (Institute of Spectroscopy, Russian Academy of Science) Arbeitsgruppe Huber (1998)
Dr. W. X. Yang (US Department of Agriculture) Arbeitsgruppe Meixner (1998)
Prof. S. V. Rodriques (Instituto de Quimica, Departmento Federal Fluminense, Outeiro Sao Batista,
24020-007 Niteroi / Brasilien) Arbeitsgruppe Baumann (1999)
Dr. L. Pibida (National Institute of Standards, NIST, Gaithersburg / USA) Arbeitsgruppe Otten, Gastvortrag
(1999)
16

6 Projekte am Fachbereich 18 (Physik)
6.1 Aerosolphysik
Univ.-Prof. Dr. R. Jaenicke und Mitarbeiter (Institut für Physik der Atmosphäre)
6.1.1 Größenverteilung und chemische Zusammensetzung von Partikeln in Wolkenwasser und
der umgebenden Luft
Bearbeiterin: Dipl.-Met. Jutta Brinkmann
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Jaenicke
Mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Freistromimpaktor wurden im Sommer 1992 vom Flugzeug
aus Wolkenwasserproben gewonnen. Diese Proben wurden auf verschiedene chemische und physikalische
Parameter hin untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Größenverteilung der einzelnen
unlöslichen Teilchen und deren Elementzusammensetzung. Die Größenverteilungen wurden größtenteils in
einem Raster-Elektronen-Mikroskop bestimmt. Über energiedispersive Röntgenanalyse wurde die Elementzusammensetzung
der Einzelpartikel ermittelt, morphologische Betrachtungen gaben in Kombination mit
der Elementanalyse Aufschluß über die mineralogische oder biologische Erscheinungsform der unlöslichen
Teilchen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden unter Berücksichtigung der löslichen Bestandteile
im Wolkenwasser und der meteorologischen Bedingungen zur Zeit der Messung mit den Eigenschaften der
interstitiellen Aerosolpartikel, ihrer Größenverteilung und chemischen Zusammensetzung, verglichen. Die
Aerosolpartikel waren während derselben Flüge gesammelt worden.
Zum Vergleich mit anderen Wetterlagen und Wolkenbedingungen wurden mit einer bereits vorhandenen
Apparatur auch Nebelproben vom Boden aus gesammelt. Die Auswertung der Wasserproben erfolgte nach
den gleichen Prinzipien wie bei den Flugmessungen.
Anhand der so gewonnenen Daten konnten Aussagen zur Aktivierung von Aerosolpartikeln und zur Inkorporation
unlöslicher Bestandteile in das Wolkenwasser getroffen werden. Es konnten verschiedene physikalische
und chemische Prozesse innerhalb der Wolkentropfen identifiziert werden.
Es wurde eine erste Bilanzierung hinsichtlich der Quellen der Wolkeninhaltsstoffe vorgenommen.
Folgeprojekt: Im Rahmen des Postdoktorandenstipendiums wurden Frau Brinkmann die folgenden Aufgaben
übertragen:
• Veröffentlichung der Ergebnisse der Dissertation in wissenschaftlichen Zeitschriften.
• Weitergabe von Erfahrungen im Bereich der Mikroanalyse an Diplomanden und Doktoranden.
• Ergänzung der Dissertationsarbeit durch weitere Aufschlüsselung der vorhandenen Wolkenwasserproben
nach Wolkeneinzelereignissen hinsichtlich Elemente und Ionen, sowie
• Teilnahme an Meßkampagnen im Jahr 1995, Einweisung von Mitarbeitern.
6.1.2 Vertikalprofile von Größenverteilungen und chemischer Zusammensetzung des atmosphärischen
Aerosols in mariner und kontinentaler Luft
Bearbeiterin: Dipl.-Met. Sabine Gruber
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Jaenicke
Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war, die Größenverteilungen des gesamten und des biologischen Aerosols
zu bestimmen. Diese wurde um die chemische Charakterisierung der Partikel mit Radien kleiner als 2 µm
17

erweitert. Anhand von Flugmessungen wurde der Einfluß der Höhe auf Größenverteilung und chemische
Zusammensetzung untersucht. Da die Aerosolmessungen im Rahmen der NORDEX-Kampagne in der
deutschen Nordseebucht durchgeführt wurden, war es zudem möglich, sowohl kontinentales als auch marines
Aerosol zu analysieren.
Aufgrund des großen Radienbereichs der zu untersuchenden Aerosolpartikel, wurden zur Auswertung zwei
Verfahren verwendet:
• Teilchen mit Radien zwischen 2,0 µm und 41,6 µm wurden an einem Lichtmikroskop ausgewertet.
Biologische Aerosolpartikel wurden mit einem Proteinfarbstoff markiert und konnten dadurch von
nichtbiologischen Teilchen unterschieden werden.
• Die Größenverteilung der Partikel mit Radien zwischen 0,2 µm und 2,2 µm wurde durch Auszählung an
einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt. Anhand von energiedispersiver Röntgenspektralanalyse
konnte die Elementzusammensetzung jedes Teilchens erkannt werden. Mittels dieser Information
wurden die Teilchen in sechs verschiedene Aerosolgruppen (Seesalz, Calciumsulfat, mineralische AP,
kohlenstoffhaltige AP, biologische AP und sonstige AP) eingeteilt.
Die mittlere Gesamtkonzentration der atmosphärischen Aerosolpartikel auf Helgoland (r > 0, 2µm) betrug
Nges = 6,12 cm −3 . Konzentrationsänderungen traten sowohl bei sich ändernden Luftmassen als ” -auch
mit zunehmender Probenahmehöhe auf:
• Die Konzentration in kontinental beeinflußten Luftmassen lag deutlich höher als die in mariner Luft.
Die Größenverteilung des marinen Aerosols zeigte einen flacheren Verlauf als die des kontinentalen.
• Es wurde ein deutliches Vertikalprofil der Teilchenkonzentration festgestellt. In der atmosphärischen
Reibungsschicht war sie aufgrund guter Mischung relativ konstant, doch nahm sie oberhalb der
Grenzschicht um bis zu eine Größenordnung ab.
Die Zusammensetzung des atmosphärischen Aerosols war stark abhängig vom Luftmassenursprung und der
Teilchengröße. Es konnte dagegen keine tendenzielle Zu- oder Abnahme einzelner Aerosolgruppen mit der
Höhe festgestellt werden:
• Kontinentale Luftmassen wurden von den kohlenstoffhaltigen -, biologischen -, mineralischen -
und Calciumsulfatteilchen dominiert. In mariner Luft traten neben den Seesalzteilchen auch
Calciumsulfat- und biologische Teilchen auf.
• Aufgrund der unterschiedlichen Entstehungsprozesse der Aerosolgruppen wurde eine starke Radienabhängigkeit
der chemischen Zusammensetzung der Partikel festgestellt. Die bevorzugt durch
gas-to-particle conversion entstehenden kohlenstoffhaltigen Teilchen dominierten das Aerosol im Submikrometerbereich.
Der prozentuale Anteil der durch bulk-to-particle conversion produzierten Aerosolgruppen
(mineralische - und Seesalzteilchen) stieg dagegen mit wachsendem Partikelradius an.
Biologische Aerosolpartikel treten dagegen in allen Größenbereichen zwischen wenigen Nanometern
(Viren) und mehreren Hundert Mikrometern (Pollen, Fragmente) auf.
6.1.3 Messungen des remote continental Aerosols in Sibirien
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Pjotr Koutsenoguii
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Jaenicke
Atmospheric aerosols are produced by mechanical disintegration and gas-to-particle conversion. They act
in the atmosphere, influencing the formation of clouds, the radiation budget and thus the climate and
18

are finally removed to the surface. Their mass transfer is part of a geochemical cycle. One of the most
important parameters of the aerosol is the size distribution. Atmospheric aerosols are described with size
distribution models: marine, stratospheric, desert, remote continental etc. The least investigated one is the
remote continental aerosol. The purpose of this study was to measure and document the size distribution
and nature of the remote continental aerosol.
Measurments were carried out in summer of 1990, 1991 and 1992. Siberia is part of the large continent
Asia, where different locations were used for the measurments: two near Lake Baikal and another near the
city of Novosibirsk.
Size distributions were obtained using screen diffusion battery and impactor techniques in the size range
from few nm to about 100 µm. The mean total aerosol number concentration was about 10 4 cm −3 . The
aerosol number size distribution may be approximated with the sum of three lognormal functions.
The possibility of using the screen diffusion battery (SDB) was carefully studied. Different algorithms of
the SDB data inversion were tested. It was found that one set of SDB measurments can provide only a
maximum of 6 independent informations.
The behaviour of the total aerosol number concentration and aerosol size distributions may be explained
using the major path of condensation nuclei formation (gas-to-particle conversion) and the major path of
removal (coagulation). A simple kinetic model developed explains the typical evolution of aerosol number
concentrations during a day.
The number size distribution of recent measurments of remote continental, polar and urban cendensation
nuclei were compared to previously published measurments. All distributions are two-modal. The parameters
of the distributions are in rather good agreement with each other. The size distributions differ from
each other only in the number concentrations of the modes. This is taken as an indication, that the physical
processes responsible for aerosol formation and removal are similar in the rather vast areas of Siberia.
6.1.4 Holografie von Wolkenvolumina sowie deren automatisierte Auswertung
Bearbeiterin: Dipl.-Phys. Eva-Maria Uhlig
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Jaenicke
Mit der Holographieanlage HODAR wurden in-situ Messungen (Einfach- und Doppelpulshologramme) in
aufliegenden Wolken auf dem Kleinen Feldberg im Taunus zur Untersuchung der Wolkenmikrostruktur
durchgeführt. Für die Quantifizierung der räumlichen Tropfenanordnung wurden die Abstands- und Konzentrationshäufigkeitsverteilungen
aufgestellt. Aus ihrem Vergleich mit der Poissonstatistik, die eine adäquate
Beschreibung der zufallsverteilten Tropfenanordnung liefert, wird die räumliche Homogenität beurteilt. Aus
den Anzahlgrößenverteilungen der Wolkentropfen konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen stratiformen
und konvektiven Wolken aufgezeigt werden.
Die Abstandsverteilungen der ersten nächsten Nachbarn der Wolkentropfen weichen in allen Hologrammen
von der Poissonstatistik ab. Der Anteil kleiner Tropfenabstände ist wesentlich höher als in einem zufallsverteilten
Tropfenkollektiv. Die Konzentrationshäufigkeitsverteilungen zeigen bei einer Unterteilung in kleine
Volumenelemente (Kantenlänge < 2000 µm) nur geringe Abweichungen zur Poissonstatistik, dagegen ist
bei großen Volumenelementen die Abweichung tendenziell steigend. Die Ergebnisse beschränken sich auf
den mikroskaligen Bereich und zeigen, daß die Poissonstatistik dort die räumliche Tropfenanordnung nicht
korrekt beschreibt.
Aus den Doppelpulshologrammen wurden zusätzlich die Bewegungsgeschwindigkeiten und -richtungen der
Tropfen ermittelt. Aufgrund fehlender Turbulenzeigenschaften, die ein Hologramm als Momentaufnahme
nicht erfassen kann, visualisieren die holographischen Aufnahmen nur die momentanen Bewegungseigenschaften
der Tropfen. Sie geben kein vollständiges Bild der Tropfenbewegungen in der Strömung der
19

atmosphärischen Grundschicht.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das HODAR mit dem automatischen Bildanalysesystem DROP-
CAT weiterentwickelt. Die aktive Tätigkeit eines Beobachters während der zeitintensiven Auswertung eines
Hologramms wird von DROPCAT übernommen. Es wurde erstmalig für Wolkentropfenhologramme eingesetzt
und auf seine Anwendbarkeit für polydisperse Wolkentropfen getestet. Die Suchstrategie basiert
auf der Erfassung des fokussierten Tropfenquerschnittes aus einer Vielzahl von Bildebenen mit Hilfe des
Schwellwert- und Schärfekriteriums und der anschließenden Überprüfung der extrahierten Objekte durch
erneutes manuelles Anfahren ihrer Bildebene. Fehlsegmentierungen, die dem granulären Bildhintergrund
oder unscharfen Tropfenbildern zuzuordnen sind, werden im zweiten Schritt der Suchstrategie eliminiert.
Der Fehler der automatischen Bildanalyse für die Wolkentropfen wird auf 20 % abgeschätzt. Die untere
Grenze der automatisch erkannten Tropfengröße beträgt deff = 8 µm. Das Auflösungsvermögen des
HODAR liegt bei deff = 6 µm, so daß die Wolkentropfen mit 6 µm ≤ deff ≤ 8 µm nur in interaktiver
Auswertung erfaßt werden.
6.1.5 In-situ Messung großer Hydrometeore mit Hilfe der In-line-Holographie
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Hermann Vössing
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Jaenicke
Für das Wettergeschehen, aber auch für die Stoffkreisläufe in der Atmosphäre, haben Wolken und die darin
enthaltenen Wasserteilchen, die Hydrometeore, eine entscheidende Bedeutung. Einmal in die Atmosphäre
gelangte Stoffe werden im wesentlichen vom Niederschlag wieder aus ihr entfernt. Für das Verständnis der
Niederschlagsprozesse ist die Kenntnis der Mikrophysik der Tröpfchen und Tropfen bzw. Eisteilchen, also
der Hydrometeore, wichtig.
Regentropfen zum Beispiel sind keine einfachen Gebilde aus Wasser, die in der sogenannten ” Tropfen- oder
Tränenform“ zu Boden fallen. Im Gegenteil ist ihre Form eher ein oblates Sphäroid (ungefähr die Form
einer Linse oder Dicken Bohne, sie sind breiter als hoch!) und die Regentropfen zeigen ein komplexes
dynamisches Verhalten.
Um die Eigenschaften nicht nur der Regentropfen, sondern auch der anderen Hydrometeore, wie Schneeflocken,
Graupel und Hagelkörner untersuchen zu können, wird in der vorliegenden Arbeit eine Apparatur
zur holographischen In-situ-Aufnahme großer Hydrometeore vorgestellt.
Die Holographie liefert eine dauerhafte Abbildung des Objektes und dessen räumlicher Position im Probevolumen.
Mit Hilfe von Doppelbelichtungen können auch die Geschwindigkeitsvektoren der einzelnen
Objekte bestimmt werden.
Auf dem HODAR (HOlographic Droplet and Aerosol Recording) (Borrmann,1991) basierend, wurde für
diese Arbeit ein erweitertes HODAR für die großen Hydrometeore, wie Regentropfen und Schneeflocken,
entwickelt und erprobt. Das Meßvolumen wurde dazu erstmalig von 1 auf etwa 500 Liter vergrößert. Heute
stehen zwei Apparaturen in einer bereit: die großvolumige zur Aufnahme von großen Hydrometeoren wie
Regentropfen und Schneeflocken und die kleinvolumige zur Aufnahme von Nebel bzw. aufliegenden Wolken.
Es wurden an ausgewählten Hologrammen:
• die Größenverteilung,
• die Form und Art,
• die Geschwindigkeitsvektoren und
• die räumliche Verteilung
20

der darin abgebildeten Hydrometeore bestimmt.
Dabei wurden Abweichungen von der im Windkanal ermittelten Fallgeschwindigkeit (TSV) von Regentropfen
gefunden. Auch sind Regentropfen im Raum nicht völlig gemäß der Poissonverteilung zufallsverteilt.
6.1.6 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Jaenicke, R. (1992): Vertical Distribution of Atmospheric Aerosols. In: Nucleation and Atmospheric
Aerosols (N. Fukuta, P. Wagner, eds) Deepak Publ., 417-425
Jaenicke, R., P.K. Koutsenogii (1992): Measurements of Atmospheric Aerosol in Siberia. In: Nucleation
and Atmospheric Aerosols (N. Fukuta, P. Wagner, eds) Deepak Publ., 435-438
Mikkelsen, T., H.E. Jorgensen, W. aufm Kampe, H. Weber, S. Borrmann (1990): The Effect of Finite
Sampling Volumes on Measured Probability Density Functions. 9th Symposium on Turbulence and
Diffusion, Riso, Denmark
Uhlig, E.M., M. Stettler, W. von Hoyningen-Huene (1992): Experimental Studies on the Variability of the
Extinction Coefficient by Different Air Masses. Conference on Visibility and Fine Particles, Wien
Vössing, H., S. Borrmann, R. Jaenicke, In-line Holography of Cloud Volumes applied to the Measuremant
of Raindrops and Snowflakes, Atmos. Res., Vol. 29, 1998, p. 199-212.
Konferenzbeitrag: Poster, zur DPG-Frühjahrstagung in Regensburg, Holographische In-situ Messungen von
Hydrometeoren, Verhandl.DPG (VI) 33, SYA 2.59, 1998,
Konferenzbeitrag: Vortrag, zur EAC’97 in Hamburg, HODAR - In line Holography of Hydrometeors ,
Journal of Aerosol Sciences, Vol. 28, 1997, p. 327
6.2 Wolkenphysik
Univ.-Prof. Dr. H. R. Pruppacher und Mitarbeiter (Institut für Physik der Atmosphäre)
6.2.1 Eine experimentelle und theoretische Untersuchung zur gekoppelten Aufnahme von Ammoniak,
Kohlendioxid und Schwefeldioxid in Wassertropfen
Bearbeiterin: Dipl.-Met. Anke Hannemann
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. H.-R. Pruppacher
Diese Arbeit beschreibt die Dynamik und Chemie der gekoppelten Aufnahme von Schwefeldioxid und Ammoniak
durch frei fallende Wolken- und Regentropfen. Tropfen werden in einem vertikalen Windkanal mit
definierten SO2- und NH3-Konzentrationen frei ausgeschwebt und anschließend ionenchromatographisch
untersucht. Die experimentellen Resultate werden mit umfangreichen theoretischen Studien verglichen, die
auf eigens hierfür entwickelten Modellen basieren . Die wesentlichen Ergebnisse der Arbeit sind:
• Das Kronig-Brink-Modell, das die laminare innere Zirkulation des Tropfens berücksichtigt, ist für alle
untersuchten Gase für Absorption und Desorption von Wassertropfen bestätigt worden (Abweichungen
innerhalb der experimentellen Unsicherheiten im allgemeinen < 10 %).
• Die korrekte Beschreibung der NH3-Aufnahme ohne Anwesenheit von SO2 erfordert, daß die gleichzeitige
Aufnahme von Kohlendioxid (CO2) aus der Luft detailliert erfaßt wird. Dabei muß die langsame,
kinetisch gehemmte Bildung des Kohlensäure-Intermediärs (H2CO3) berücksichtigt werden.
• Bei SO2-Konzentrationen unter 1 ppmv ist ein Modell, das die innere Tropfenzirkulation durch die
Annahme instantaner Durchmischung ersetzt, bestätigt worden. Über 1 ppmv und Tropfenradien
21

von r > 250 mm wird die Gasaufnahme durch dieses Modell systematisch überschätzt (bis zu einem
Faktor 2) und es muß das Kronig-Brink-Modell angewendet werden. Dasselbe gilt für die Aufnahme
von NH3 allein.
• Tropfen mit r > 500 mm erfordern für die theoretische Beschreibung der Gasaufnahme ein Modell, das
periodisch zwischen einem Zustand mit laminarer innerer Zirkulation und einem Zustand vollständiger
Durchmischung wechselt und somit die regelmäßigen Turbulenzstöße der sich vom Tropfen ablösenden
Wirbel beschreibt.
• Im Gegensatz zur Gasaufnahme unterliegt die Desorption aus den Tropfen in die Gasphase einer gehemmten
Dynamik (Absorptions-Desorptions-Asymmetrie), die die die Benutzung des Kronig-Brink-
Modells notwendig macht, außer bei niedrigen Konzentrationen unter atmosphärischen Bedingungen.
• Bei atmospärisch relevanten Gaskonzentrationen (einige ppbv) und Tropfenradien (r ≈ 250 mm)
läßt sich die Gasaufnahme befriedigend mit Hilfe des vereinfachten Modells ohne innere Zirkulation
beschreiben (vollständig durchmischter Tropfen).
• Durch die gleichzeitige Anwesenheit von NH3 und SO2 in der Atmosphäre werden deren Aufnahmeraten
verstärkt.
Die in dieser Arbeit aufgeführten Ergebnisse finden unmittelbar Anwendung in der Formulierung regionaler
Wolken- und Niederschlagsmodelle, die den Spurentransport in der Gas- und Flüssigphase der Atmosphäre
beschreiben und sich dabei aktuellen Themen, wie zum Beispiel dem sauren Regen, widmen.
6.2.2 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
S. K. Mitra, A. Waltrop, A. Hannemann, A. I. Floßmann, H. R. Pruppacher (1992): A wind tunnel and
theoretical study to test various theories for the absorption of SO2 by drops of pure water and water drops
untaining H2O2 and (NH4)2SO4. In: Precipitation Scavenging and Atmospheric Surface Exchange. Vol.
1, Eds. S. E. Schwartz, W. G. N. Slinn, p. 123 - 141
6.3 Stadtklima- und Regionalmodelle
Univ.-Prof. Dr. W. Zdunkowski und Mitarbeiter (Institut für Physik der Atmosphäre)
6.3.1 Bodenrandbedingungen in mesoskaligen Klimamodellen
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Thomas Kandlbinder
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. W. Zdunkowski
Atmosphärische Phänomene in der Mesoskala (1 km 2 10 4 km 2 ) werden hauptsäachlich durch Temperaturgradienten
am Boden hervorgerufen. Diese entstehen durch Erwärmung der Erdoberfläche tagsüber
bzw. durch Abkühlung nachts. Die Erwärmungs bzw. Abkühlungsraten ergeben sich durch die Bilanz
der Enerigeflüsse (Strahlungsenergiefluß, latente und sensible Energieflüsse und Bodenwärmefluß) an der
Erdoberfläche.
Ziel dieser Arbeit war es, Bilanzgleichungen an der Erdoberfläche in Abhängigkeit von verschiedenen Bodenbedeckungen
wie z.B. Wälder, Städte oder Gewässer zu formulieren und damit Bodenrandwerte für Temperatur
und spezifische Feuchte eines mesoskaligen Prognosemodells zu liefern. Besonderes Augenmerk wurde
hierbei auf die Modellierung von Gebäuden gelegt, da hierzu in der Literatur nur sehr vereinfachte Ansätze
zu finden sind. Um die RechenRoutine für die Berechnung der Bodenrandwerte zu testen, wurde diese an
22

ein eindimensionales Atmosphärenmodell gekoppelt und die damit berechneten Energieflüsse am Boden mit
Messungen verglichen. Es stellte sich heraus, daß die Rechnungen sowohl für pflanzenbedeckte als auch für
bebaute Oberflächen sehr gute Resultate lieferten. Im Falle dieser Vergleichsrechnungen waren allerdings
die nötigen Parameter wie Bodenwassergehalt, Pflanzenbestands bzw. Gebäudehöhe, Blattflächendichte
und Stomatawiderstand relativ genau gegeben. Dies ist bei der Modellierung von Windfeldern in mesoskaligen
Gebieten i.a. nicht der Fall und man ist hier auf Abschätzungen angewiesen. Aus diesem Grund wurde
auch untersucht, wie sich Variationen in den Modellparametern auf das Ergebnis auswirken. Es zeigte sich,
daß vor allem eine Veränderung des Bodenwassergehaltes eine starke Auswirkung auf die Energiebilanz hat.
Die so getestete Bodenroutine wurde nun in ein dreidimensionales Prognosemodell integriert und die damit
berechneten Wind und Temperaturfelder mit Messungen, die im Oberrheintal durchgeführt worden waren,
verglichen. Es stellte sich heraus, daß das Modell sehr gut in der Lage war die charakteristischen Phänomene,
wie Hangauf und abwinde, sowie die Kanalisierung des Windfeldes durch das Rheintal im Rahmen der
Meßunsicherheit und der Modellauflösung zu reproduzieren. Weiterhin zeigte sich, daß einige Meßergebnisse
wegen der großen Streuung der Werte erst mit Hilfe der Ergebnisse der Modellrechnung zu interpretieren
waren.
Außerdem wurde der Einfluß, den unterschiedliche Bodenbedeckungen auf mesoskalige Phänomene, wie
Hangwinde oder Kanalisierung haben können, untersucht. Zum Schluß wurde noch ein Konzept vorgestellt,
mit dem es möglich ist, Bodenbewuchs nicht nur als Randbedingung, sondern mit Gitterzellen
aufzulösen. D.h. es werden prognostische Gleichungen für Windgeschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit
innerhalb einer Pflanzenschicht berechnet. Die Ergebnisse dieses Modells konnten allerdings
nur mit unvollständigen Meßdaten verglichen werden, da ein zur Validierung notwendiger Datensatz nicht
zur Verfügung stand. Die gemessenen Tagesgänge von Temperatur und relativer Feuchte konnten jedoch
zufriedenstellend reproduziert werden.
6.3.2 Die Boundary Element Methode (BEM) zur Simulation atmosphärischer Strömungen
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Christoph Seligmann
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. W. Zdunkowski
Zur Simulation von atmosphärischen Stömungen im mikro- und mesoskaligen Bereich existieren am Institut
für Physik der Atmosphäre der Johannes-Gutenberg Universität in Mainz bereits die beiden Klimamodelle
MISKAM und KLIMM. Diese beiden Modelle haben sich in vielen meteorologischen Fragestellungen bewährt
und liefern zuverlässige Vorhersagen. Infolge der Diskretisierung des Integrationsbereiches mit Rechtecken
ergeben sich jedoch Probleme bei der Beschreibung von komplizierteren Strukturen.
Die in der vorliegenden Arbeit verwendete Boundary-Element Methode (BEM) verspricht beliebige Hindernisformen,
mit wesentlich weniger numerischem Aufwand als die ihr verwandte Methode der finiten
Elemente, zu beschreiben.
Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt darin, die Theorie der BEM auf die meteorologischen Grundgleichungen
anzuwenden. Dabei wurde, im Gegensatz zu allen bekannten Simulationen von Hindernisüberströmungen
mit Hilfe der BEM, ein räumlich variabler turbulenter Austauschkoeffizient angenommen. Daraus resultieren
Zusatzterme sowie kompliziertere Ausdrücke für die bereits von anderen Autoren hergeleiteten Integrale.
Alle in dieser Arbeit auftretenden Randintegrale wurden sowohl analytisch als auch numerisch berechnet;
somit ist ein Fehler bei der Auswertung dieser Integrale ausgeschlossen. Auch für die zweidimensionalen
Integrale, welche sich sowohl aus Nichtlinearitäten als auch aus der Annahme eines variablen Austauschkoeffizienten
ergeben, wurden für spezielle Fälle Tests durchgeführt.
Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Computerprogramm ist in der Lage, realistische zweidimensionale
Überströmungssimulationen von Einzelgebäuden und Straßenschluchten durchzuführen. Dazu wurde
ein logarithmisches Windprofil und ein linear mit der Höhe anwachsender turbulenter Austauschkoeffizi-
23

ent verwendet und die Ergebnisse der Kastenüberströmungen mit Vorhersagen von MISKAM überprüft.
Zusätzlich wurden Überströmungen von Häusern mit beliebiger Dachneigung simuliert und die prinzipiellen
Unterschiede zur Kastenüberströmung herausgearbeitet.
Unter Verwendung des gekoppelten Systems aus Wärme- und Bewegungsgleichung wurden erste Rechnungen
zur Simulation von Bergüberströmungen durchgeführt. Die Ergebnisse, welche qualitativ mit KLIMM-
Resultaten übereinstimmen, wurden mit einem linearem Einströmprofil sowie konstanten Austauschkoeffizienten
erhalten.
Weiter verbesserte Ergebnisse lassen sich unter Verwendung einer wesentlich feineren Gitterauflösung, sowie
eines bedeutend höheren Modellgebietes bei Bergüberströmungen, erreichen. Allerdings standen die dazu
benötigten Rechnerkapazitäten im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht zur Verfügung.
6.3.3 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Bott, A., U. Sievers und W. Zdunkowski (1990): A radiation fog model with a detailed treatment of the
interaction between radiative transfer and fog microphysics. J. Atmos. Sci., 47, No. 18, 2153-2166
Eichhorn, J., K. Cui, M. Flender, T. Kandlbinder, W.-G. Panhans, R. Ries, J. Siebert, T. Trautmann, N.
Wedi and W. G. Zdunkowski (1997): A Three–Dimensional Viscous Topography Mesoscale Model. Beitr
Phys. Atmosph., 70, 301-318.
Siebert, J., U. Sievers und W. Zdunkowski (1992): A One-Dimensional Simulation of the Interaction
between Land Surface Processes and the Atmosphere. Boundary LAyer Meteor., 59, 1-34
Siebert. J., A. Bott und W. Zdunkowski (1992): Influence of a Vegetation-Soil Model on the Simulation
of Radiation Fog. Beitr. Phys. Atmosph., Vol. 65, No. 2, 93-106
Zdunkowski, W. und J. Eichhorn (1992): Die Simulation des urbanen Klimas mit Mainzer Rechenmodellen.
Forschungsmagazin der Universität Mainz, 1/92, 44-49
Zdunkowski, W. (1992): Das Mainzer urbane Klimamodell. Akademie der WIssenschaften. Symposium
Ökosystemanalyse und Umweltforschung in Rheinland-Pfalz
6.4 Spurenanalytik in Umweltproben
Univ.-Prof. Dr. G. Huber, Univ.-Prof. Dr. H.-J. Kluge, Univ.-Prof. Dr. E. Otten, Univ.-Prof. Dr. E. Rühl
(Institut für Physik);
Univ.-Prof. Dr. G. Herrmann, Dr. N. Trautmann (Institut für Kernchemie)
6.4.1 Resonanzionisationsmassenspektroskopie an Technetium und Plutonium mit einer Laserionenquelle
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Frank Albus
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. H.-J. Kluge
Die empfindliche Spurenanalyse radiotoxischer Nuklide gewinnt nicht zuletzt seit dem Reaktorunfall von
Tschernobyl 1986 immer mehr an Bedeutung. Auch die nach dem 2. Weltkrieg durchgeführten oberirdischen
Kernwaffentests haben zu einer Belastung der Umwelt durch künstliche Radionuklide, u.a. Technetium und
Plutonium, geführt. Daneben bietet eine empfindliche und selektive Isotopenanalyse des Technetiums
in einer Molybdänerzprobe die Möglichkeit der Messung des integralen solaren 8 B-Neutrinoflusses. Die
beiden Isotope 97 Tc und 98 Tc werden hierbei aus den isobaren Molybdänisotopen durch inversen β-Zerfall
gebildet. Nach der chemischen Abtrennung des Technetiums aus 10000 t Molybdänerz erwartet man nach
24

dem Standardsonnenmodell etwa 10 8 Atome der beiden Isotope 97,98 Tc und etwa 10 11 -10 12 Atome des
Isotops 99 Tc. Daneben verbleibt ein Restgehalt an isobarem Molybdäan von mehr als 10 12 Atomen. Zur
Analyse ist deswegen eine Methode sowohl hoher Empfindlichkeit als auch hoher Selektivität erforderlich.
Eine äußerst effiziente und selektive Methode stellt die Resonanzionisationsmassenspektroskopie dar. Hierbei
werden die Atome der Probe zunächst bei einer geeigneten Temperatur verdampft, nachfolgend in
mehreren Schritten durch resonant eingestrahltes Laserlicht ionisiert und die erzeugten Photoionen massenselektiv
nachgewiesen. Die hohe Empfindlichkeit ist durch die hohen optischen Wirkungsquerschnitte
bedingt. Die zur Sättigung der resonanten Anregungsschritte erforderlichen Photonenflüsse lassen sich
durch Farbstofflaser, die von Kupferdampflasern hoher Repetitionsrate (νrep = 6.5 kHz) gepumpt werden,
erreichen. Die optische Selektivität beträgt etwa 10 5 pro resonantem Anregungsschritt. Neben der Atomstrahltechnik,
bei der die Probe von einem geheizten Filament verdampft wird und der erzeugte thermische
Atomstrahl senkrecht von den (gepulsten) Laserstrahlen durchsetzt wird, läßt sich dieses Konzept durch
Verwendung einer Laserionenquelle (LIQ) erweitern. Hierbei wird die Probe in einer heißen Kammer verdampft.
Die Laserstrahlen zur resonanten Ionisation werden durch eine kleine Öffnung eingespiegelt. Da die
Atome erst nach im Mittel etwa 40 Wandstößen aus der Kammer diffundieren, haben sie die Möglichkeit,
mehrmals mit dem Laserlicht wechselzuwirken, was zu einer gesteigerten Empfindlichkeit im Vergleich zur
Atomstrahlmethode führt. Prinzipiell läßt sich eine Effizienz von nahezu 100 % erreichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine LIQ, bestehend aus einer Kammer aus höchstreinem, pyrolytisch
beschichtetem Graphit, aufgebaut. Im Experiment am Technetium konnte hiermit eine Quelleneffizienz
von nur εLIQ = 0.4 % erreicht werden, da die optischen Übergänge mit den zur Verfügung stehenden
Laserleistungen nicht gesättigt werden konnten. Aus der erreichten Gesamteffizienz von εT OT = 2 · 10 −5 ,
die durch Transmissionsverluste in der Apparatur limitiert war, konnte eine Nachweisgrenze von 5 · 10 6
Atomen 99 Tc bei einer eingesetzten Menge von 3.2 · 10 −8 Atomen 99 Tc extrapoliert werden. Dieser Wert
ist um mehr als 3 Größenordnungen besser als der der konventionellen radiometrischen Methode, der β-
Spektroskopie. Die maximal erreichte Selektivität gegenüber oberflächenionisiertem Molybdän wurde zu S
= 4 · 10 4 (T = 1860 K) bestimmt. Bei den zur Verdampfung des Technetiums erforderlichen Temperaturen
reduzierte sich die Selektivität auf S = 3 · 10 3 (T = 2150 K). Die Meßzeiten pro Probe lagen bei weniger
als einer Stunde.
Beim Plutonium wurde eine Quelleneffizienz von weniger als 0.1 % erreicht. Als limitierend erwies sich das
niedrige Ionisationspotential des Plutoniums von W P u
I = 6.0 eV, was dazu führte, daß die Plutoniumatome
sehr effizient an der Graphitoberfläche oberflächenionisiert wurden.
6.4.2 Hochempfindlicher Technetiumnachweis mittels Resonanzionisations - Massenspektrometrie
in Verbindung mit einer Laserionenquelle
Bearbeiter: Dr. Friedhelm Ames
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. H.-J. Kluge
Die Resonanzionisations-Massenspektrometrie stellt ein empfindliches und selektives Verfahren zum Nachweis
geringster Mengen eines Elements dar. Zur weiteren Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit wurde
der Einsatz einer Hochtemperatur-Laserionenquelle untersucht. Bei der Laserionenquelle wird die zu untersuchende
Probe in einer heißen Kammer verdampft und die Probenatome werden mittels Laserlicht, welches
in eine kleine Öffnung in der Kammer eingespiegelt wird, resonant angeregt und schließlich ionisiert. Die so
erzeugten Photoionen können dann nach Extraktion in einem Massenspektrometer nachgewiesen werden.
Eine solche Anordnung wurde zur spurenanalytischen Bestimmung von Technetium, welches zunehmend in
der Umweltanalytik an Bedeutung gewinnt, eingesetzt. Die mit der Laserionenquelle erzielte Ionisationseffizienz
für Technetium liegt bei einer Kammertemperatur von 2500 K bei 14 %.
Zunächst wurde eine Wolframkammer benutzt, die den Nachteil hat, daß Störungen durch Molybdän
25

auftreten, welches als Verunreinigung in Wolfram vorliegt und nach Diffusion an der heißen Oberfläche
ionisiert wird. Weiterhin erschweren die gemessenen langen Wandhaftungszeiten von Technetium an Wolframoberflächen
eine sehr empfindliche Bestimmung. Deshalb wurde damit begonnen, eine Graphitkammer
aufzubauen, um einmal den Molybdänhintergrund zu reduzieren und zum anderen die Wnadhaftungszeiten
zu verkürzen. Mit dieser neuen Kammer wurde untersucht, welche Empfindlichkeitssteigerung für die
Spurenanalyse des Technetiums und anderer radiotoxischer Elemente erzielt werden kann.
6.4.3 Resonante Laserionisations-Massenspektrometrie an Gadolinium zur Isotopenhäufigkeitsanalyse
mit geringsten Mengen
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Klaus Blaum
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. E. Otten
Die selektive Spuren- und Ultraspurenanalyse des Erdalkalielements Gadolinium eröffnet eine Vielzahl
von Anwendungen in der Biomedizin, der Kosmochemie und der Umweltanalytik. Diese erfordern hohe
Isotopen- und Isobarenselektivitaten im Bereich von etwa 10 7 sowie Gesamteffizienzen von ε > 10 −6 , die
mit herkömmlichen Massenspektrometrieverfahren nicht oder nur schwer erreicht werden können. Aus
diesem Grund wurde der Einsatz der resonanten Laserionisations-Massenspektrometrie untersucht. Die
Promotionsarbeit beschäftigte sich dabei mit den Schwerpunkten: Weiterentwicklung und Anpassung des
existierenden Diodenlaser-Quadrupol-nachweissystems auf die Fragestellungen, Spezifizierung des Quadrupolmassenspektrometers
im Massenbereich bis 160 amu, experimentelle Realisation und Charakterisierung
eines effizienten dreistufig resonanten Ionisationsschemas für Gd sowie Anwendung des Verfahrens und
Durchführung von analytischen Studien.
Im theoretischen Teil der Arbeit wurden die Bewegungsgleichungen für den idealen hyperbolischen und den
realen Quadrupolmassenfilter mit runder Stabgeometrie abgeleitet. Die Auswirkungen von Feldabweichungen
auf die Form der Massenpeaks wurden diskutiert. Zudem wurden die für die spektroskopischen Studien
relevanten Größen Isotopieverschiebung und Hyperfeinstruktur sowie die Linienform autoionisierender Resonanzen
erörtert.
Ein großer Teil der Arbeit beschäftigte sich mit Computersimulationen des vollständigen, realen Quadrupol-
Massenspektrometers, bestehend aus Ionenquelle, Quadrupol-Massenfilter und Detektor. Zur Berechnung
der Feldabweichungen und der Ionenflugbahnen wurden zwei unterschiedliche Simulationsprogramme eingesetzt.
Im Mittelpunkt stand die Vorhersage der erreichbaren Nachbarmassenunterdrückung und die
Bestimmung der absoluten Transmission in Abhängigkeit von der Auflösung.
Der experimentelle Teil umfasste die apparative Weiterentwicklung insbesondere der Atomstrahlquelle und
des Lasersystems, die experimentelle Charakterisierung des Quadrupol-Massenspektrometers hinsichtlich
der genannten Größen sowie die laserspektroskopischen Studien zum Auffinden eines effizienten dreifach
resonanten Anregungsschemas. Bei letzterem wurden die Isotopieverschiebungen und Hyperfeinstrukturen
aller stabilen Gadoliniumisotope in zahlreichen Übergängen für die einfach, zweifach und dreifach resonante
Ionisation präzise vermessen. Das aufgenommene Spektrum autoionisierender Resonanzen im Bereich
von 7.5 THz zeigte etwa 150 bislang nicht bekannte Zustände mit Resonanzüberhöhungen von bis zu
fünf Größenordnungen im Ionisationswirkungsquerschnitt. Durch Hyperfeinzustandsselektion wurde eine
Methode entwickelt, die die Bestimmung der Drehimpulsquantenzahl J der autoionisierenden Resonanzen
ermöglichte.
Die analytische Charakterisierung der dreistufig resonanten Ionisation [Xe] 4f 7 5d 1 6s 2 9 D6 → 6s 6p 9 F7
→ 6s 8s 9 D6 → AI (49663.576 cm −1 ) von Gadolinium ergab eine Isotopen- und Isobarenselektivitat von
SIsotop > 10 12 und SIsobar ≈ 1 · 10 7 . Die mit dem Diodenlasersystem erreichte Nachweiseffizienz von
ε = 3 · 10 −6 mit einer untergrundlimitierten Nachweisgrenze von wenigen 10 9 Atomen 158 Gd erlaubte erste
Demonstrationsmessungen an medizinischen Gewebeproben.
26

6.4.4 Empfindlicher Nachweis toxischer Elemente mittels einer Laserionenquelle
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Hans-Ulrich Hasse
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. G. Huber
Die Spurenanalyse von Schwermetallen in Umweltproben ist von vielfältigem Interesse und wird in vielen
Fällen routinemäßig durchgeführt. Mit Methoden großer Nachweisempfindlichkeit kann man durch die Bestimmung
von Bleigehalten in Bohrkernen aus antarktischem und alpinem Eis Aufschluß über zurückliegende
Klimaveränderungen erhalten. Durch den isotopenselektiven Nachweis wird dabei eine Altersbestimmung
über das Isotop 210 Pb möglich. Eine Bestimmung des Gehalts von 210 Pb in menschlichem Gewebe erlaubt
außerdem Rückschlüsse auf eventuelle Radonbelastungen.
Zur Vermessung solcher Proben wird eine isotopenselektive Nachweismethode mit einer Nachweisgrenze
von weniger als 10 7 Atomen Blei benötigt. Die Resonanzionisations-Massenspektroskopie (RIMS) in Verbindung
mit einer Laserionenquelle (LIQ) ist eine solche Methode, die durch Wahl der Laserfrequenzen
und geeignete atomare Präparationen für viele Elemente zur Anwendung gebracht wird. Hierbei wird die
Probe in einer heißen Kammer mit einem Loch zur Einspiegelung der Laserstrahlen atomar verdampft. Die
Ionisation erfolgt durch eine dreistufige resonante Laseranregung. Die erzeugten Ionen werden mit einem
elektrischen Feld aus der Kammer extrahiert und in einem doppelt fokussierenden Massenspektrometer massenselektiv
nachgewiesen. Die Empfindlichkeit dieser Methode wurde in unserer Arbeitsgruppe am Beispiel
des Radionuklids 99 Tc (Technetium) mit einer Nachweisgrenze (3σ) von 2·10 5 Atomen gezeigt. Erste Tests
am schweren Radionuklid 239 Pu (Plutonium) ergaben eine Nachweisgrenze von 2·10 6 Atomen. Die von der
Theorie vorhergesagten Photoionisationseffizienzen von einigen Prozent konnten bestätigt werden. An Blei
wurden verschiedene Anregungsleitern für die Laseranregung getestet. Für die Photoionisation besonders
geeignet ist die Anregung vom 6p 2 -Grundzustand in den 6p7s(1/2, 1/2)1-Zustand (Anregungswellenlänge
λ = 283.3 nm) und von dort in den 6p8p(1/2, 3/2)2-Zustand mit λ = 600.2 nm. Da im Spektrum des
Bleis keine geeigneten autoionisierenden Zustände zugänglich sind, ist durch den 3. Anregungsschritt mit
dem vorhandenen Lasersystem keine Ionisation mit optimaler Effizienz möglich. Daher ist im Vergleich
zum Technetium eine etwas geringere Nachweiseffizienz zu erwarten. Die Messungen an Radionukliden
haben gezeigt, daß radioaktive Tracer zur Absoluteichung der Nachweiseffizienz wünschenswert sind. Bei
Technetium soll 95 Tc, das durch eine (α,2n)-Reaktion aus Niob hergestellt werden kann, als Tracer getestet
werden. Im Falle von Blei werden entsprechende Möglichkeiten diskutiert.
6.4.5 Messung von 90 Sr in Umweltproben
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Jörg Lantzsch
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. E. Otten
Nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl 1986 wurde deutlich, daß die üblichen radiochemischen Nachweisverfahren
zum Nachweis von Kontaminationen in der Umwelt für einige Radionuklide unzureichend sind.
Insbesondere der Nachweis der beiden reinen β-Strahler 89 Sr und 90 Sr erwies sich als viel zu zeitaufwendig.
Es entstand daraufhin von Seiten der überwachenden Behörden der Wunsch nach einer neuen, schnellen
und empfindlichen Methode zum Spurennachweis der Radionuklide 89,90 Sr. Im Vordergrund stand dabei
der Nachweis von Kontaminationen in der Luft bzw. in atmosphärischen Aerosolen, da die Luft als primäres
Transportmedium eine schnelle und weiträumige Verbreitung von Kontaminatoren ermöglicht.
Seit 1989 wurde am Institut für Physik der Universität Mainz in Zusammenarbeit mit dem Institut für
Kernchemie eine Methode entwickelt, die einen empfindlichen Spurennachweis der beiden Isotope 89,90 Sr
innerhalb eines Tages ermöglicht. Diese Methode beruht auf einer Kombination von konventioneller Massenspektrometrie,
kollinearer Laseranregung am schnellen Atomstrahl und einem Feldionisationsnachweis.
Dabei werden die nachzuweisenden Isotope nicht durch einen radioaktiven Zerfall identifiziert, sondern unter
27

Ausnutzung ihrer atomphysikalischen Eigenschaften nachgewiesen. Dieser Ansatz hat zwei entscheidende
Vorteile.
• Durch die hohe Elementselektivität einer laserspektroskopischen Methode ist eine Störung der Messung
durch radioaktive Isotope anderer Elemente ausgeschlossen.
• Da der radioaktive Zerfall nicht ausgenutzt wird, ist die Geschwindigkeit einer solchen Methode
unabhängig von der Halbwertszeit des zu untersuchenden Isotops. Wenn das Element - wie im Fall
des Strontiums - außer den nachzuweisenden radioaktiven Isotopen auch noch stabile Isotope besitzt,
muß allerdings eine sehr hohe Isotopenselektivität erreicht werden.
Primäres Ziel dieser Arbeit war es, die praktische Anwendbarkeit der Methode zu demonstrieren. Dazu
wurden verschiedene Umweltproben auf ihren 90 Sr-Gehalt hin untersucht. Außer der Bestimmung des 90 Sr-
Gehalts in Luftfilterproben wurden Messungen an Bodenproben durchgeführt. Durch Weiterentwicklung
der Methode konnte weiterhin eine Verbesserung der Nachweisgrenze erreicht werden.
6.4.6 Selektiver Ultraspurennachweis von 41 Ca mittels schmalbandiger Resonanzionisations-
Massenspektroskopie
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Peter Müller
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. E. Otten
Im Rahmen des Projektes wurde eine Apparatur zum Spurennachweis des langlebigen Radionuklides 41 Ca
aufgebaut und getestet, die für Routinemessung geeignet ist. Diese Apparatur setzt sich im wesentlichen
aus einem Lasersystem, einem Quadrupolmassenspektrometer und einer Atomstrahlquelle in einer
Vakuumkammer, sowie einer entsprechenden Ansteuerungselektronik zur Kontrolle aller Betriebsparameter
zusammen.
Für die Anwendung des Ultraspurennachweises von 41 Ca ergeben sich momentan vier Anwendungsbereiche:
• 41 Ca als biomedizinisches Tracerisotop zur Studie der Calciumkinetik im menschlichen Körper
• 41 Ca-Bestimmung im Beton von stillgelegten Kernreaktoren
• Messung der 41 Ca Konzentration in Meteoriten zur Bestimmung ihrer Expositionshistorie sowie parallel
dazu Bestimmung von 41 Ca in künstlich bestrahlten Proben zur Messung der energieabhängigen
Bildungswirkungsquerschnitte
• 41 Ca-Bestimmung in natürlichen Proben und Fossilien, zur Untersuchung der Möglichkeiten zur Radiodatierung
mittels 41 Ca
Je nach Anwendung müssen dabei Isotopenverhältnisse von 41 Ca/ 40 Ca im Bereich von 10 −9 bis zu 10 −16
nachgewiesen werden.
Der apparative Teil der Arbeit umfaßte nach der Lieferung des kommerziellen Quadrupolmassenspektrometer
im Frühjahr 1997 den Einbau in eine speziell angepaßte Vakuumkammer, die Spezifikation des
Massenspektrometers sowie die Konstruktion einer eigenen Atomstrahlquelle. Ein weiterer apparativer
Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und dem Aufbau eines Diodenlasersystems zur mehrstufigen resonanten
Anregung sowie der zugehörigen Frequenzstabilisierung. Zur Durchführung von Routinemessungen war
weiterhin die Erstellung eines computergestütztes Meßprogramm erforderlich, das alle Apparaturparameter
ansteuern und automatische Messsequenzen durchführen kann. Im Anschluß konnten erste Testmessungen
zur erreichbaren Gesamteffizienz und Genauigkeit bei Isotopenverhältnismessung für Calcium Isotope in
einem einfach bzw. zweifach resonanten Anregungsschema durchgeführt werden.
28

Basierend auf der zweifach resonanten Anregung, wurden erste analytische Messungen von 41 Ca an Betonproben
durchgeführt. Diese stammten aus dem biologischen Schild eines im Rückbau befindlichen Forschungsreaktors
und sollten auf die spezifische 41 Ca Aktivität untersucht werden. Aufgrund der begrenzten
optischen Isotopenselektivität der zweifach resonanten Anregung von etwa 10 4 konnte bei allen Proben
lediglich ein oberer Grenzwert von etwa 150 mBq/g Beton für die spezifische 41 Ca Aktivität (bzw. eine
relative 41 Ca-Häufigkeit von ca. 5·10 −10 ) angegeben werden. Dieser Wert liegt jedoch schon deutlich unter
den Nachweisgrenzen, die mit herkömmlichen radiometrischen Verfahren erreicht werden können und reicht
für eine korrekte Klassifizierung des Betons zur entsprechenden Entsorgung bei weitem aus. Messung an
Betonproben, die künstlich mit 41 Ca versetzt wurden, zeigten eine gute Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
der Messergebnisse bei 41 Ca Gehalten im Bereich von ca. 1-2 Bq/g bzw. 5·10 −9 .
Um eine höhere Isotopenselektivität und Gesamteffizienz beim Ultraspurennachweis von 41 Ca zu erreichen
ist eine dreifach resonante Anregung notwendig. Diese führt in hochangeregte Rydbergzustände des
Calcium Atoms, von denen mit den zur Verfügung stehenden Laserwellenlängen eine ganze Reihe angeregt
werden können. Entsprechend wurden zuerst in vorbereitenden spektroskopischen Messungen die
Isotopieverschiebungs- und Hyperfeinstrukturkonstanten der erreichbaren Zustände bestimmt, ihre Werte
mit theoretischen Berechnungen verglichen und die bezüglich Effizienz und Selektivität am besten geeigneten
Zustände ausgewählt. Die erreichbaren optischen Isotopenselektivitäten liegen dabei über 10 11 und
die Gesamteffizienz erreicht Werte von mehr als 10 −4 für 41 Ca.
Inzwischen konnten mit dem dreifach resonanten Anregungsschema die erreichbaren Genauigkeiten im
Isotopenverhältnis anhand von Standardproben bestimmt werden, sowie etliche analytische 41 Ca Messungen
durchgeführt werden. Dabei ergab die erneute Messung der Betonproben ein eindeutiges Ergebnis im
Bereich von 30 bis 60 mBq/g mit einer Nachweisgrenzen von unter 10 mBq/g. Weiterhin konnten eine
Serie von biomedizinischen Urinproben auf ihren Gehalt von 41 Ca untersucht werden und damit die zeitliche
Abnahme des 41 Ca-Gehaltes im Urin eines Probanden nach der Gabe einer bestimmten Menge 41 Ca Tracers
über 100 Tage verfolgt werden. Diese Abnahme erlaubt detaillierte Rückschlüsse über die Calcium-Kinetik.
Ebenso konnten erste Messungen von Wirkungsquerschnittsproben durchgeführt werden.
Insgesamt können inzwischen routinemäßig analytische 41 Ca Messungen mit einer Gesamteffizienz von
5·10 −5 und einer Nachweisgrenze von bis zu 2·10 −13 durchgeführt werden. Diese Spezifikationen sind
ausreichend für alle angestrebten Anwendungen außer der Radiodatierung, bei der 41 Ca in natürlichen
Häufigkeiten von 10 −14 bis 10 −16 nachgewiesen werden muß, und sind einerseits durch die verfügbare
Laserleistung im dritten Anregungsschritt sowie Untergrundeffekte begrenzt. An beiden Limitationen wird
zur Zeit sowohl durch Entwicklung eines leistungsfähigeren Diodenlasers als auch durch einen Umbau
des Massenspektrometers gearbeitet. Diese Arbeiten sind jedoch neben weiteren analytischen Messungen
Thema einer sich anschließenden Dissertation.
6.4.7 Weiterentwicklung des 89,89 Sr-Spurennachweises und erste Analyse synthetischer Proben
Bearbeiterin: Dipl.-Phys. Judith Stenner
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. H.-J. Kluge
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der schnelle Spurennachweis des Radionuklids 90 Sr mit Hilfe der Resonanzionisationsspektroskopie
in kollinearer Geometrie erprobt. Durch die Analyse synthetischer Proben,
die sowohl das Isotop 90 Sr als auch natürliches Strontium enthielten, wurde die Nachweisgrenze für 90 Sr
bestimmt. Dazu wurden die wesentlichen Kenngrößen des Verfahrens, wie Effizienz, Untergrundzählrate
und Selektivität, untersucht.
Nach Abschluß des experimentellen Aufbaus des RISIKO-Experiments wurden einzelne Apparaturkomponenten
getestet und optimiert. So konnte die Zuverlässigkeit der Ionenquelle erheblich gesteigert und der
Ladungsaustauschprozeß quantitativ untersucht werden. Ein Großteil des Untergrunds wurde von laseran-
29

geregten Rydbergzuständen verursacht, die durch Stark-Effekt verschoben wurden. Um eine Laseranregung
in elektrischen Feldern zu vermeiden, wurde die Apparatur so umgebaut, daß sich Laser- und Atomstrahl
unter einem Winkel von 178◦ schneiden. Weiterhin wurde erstmals die optische Anregung mit einem
Argonionenlaser durchgeführt. Dies brachte einen deutliche Fortschritt sowohl in der Handhabung und
Zuverlässigkeit des Systems, als auch in der Nachweisempfindlichkeit mit sich. Dafür war der Aufbau
einer elektronischen Frequenzstabilisierung nötig, mit der die Frequenzdrift des Gaslasers von etwa 150
MHz/h auf weniger als 5 MHz/h reduziert werden konnte. Gleichzeitig wurde dabei die Amplitude des
” Frequenzjitters“ von (30)11 MHz auf 12(5) MHz verringert. Mit diesem Festfrequenzlaser können bei Beschleunigungsspannungen
von 29.2 kV und 32 kV die Übergänge 5s4d 3D2 → 5s23f 3F3 und 5s4d 3D3 →
5s23f 3F4 angeregt werden. Es konnte gezeigt werden, daß der Übergang in das 5s23f 3F3-Niveau das
günstigere Signal-Untergrund-Verhältnis aufweist.
Der Nachweis von 10 8 Atomen 90 Sr in bis zu 10 18 Teilchen stabilen Strontiums erfordert eine Selektivität
gegenüber dem Isotop 88 Sr von mehr als 10 10 . Für einen statistischen Fehler von nicht mehl als 10 % müssen
wenigstens 100 Teilchen des Radionuklids detektiert werden, was eine Gesamteffizienz von mindestens 10 −6
bedeutet. Die im Rahmen dieser Arbeit festgestellte Nachweisgrenze beträgt 5·10 7 Teilchen 90 Sr in 10 17
Teilchen natürlichen Strontiums. In 10 18 Teilchen stabilen Strontiums konnten 10 8 Teilchen 90 Sr detektiert
werden. Die Meßzeit betrug dabei weniger als 2 Stunden. Die erreichte Gesamteffizienz betrug etwa 10 −6
und konnte damit gegenüber dem im RISIKO-Experiment erreichten Wert um mehr als eine Größenordnung
verbessert werden.
Die Selektivität in schräger Geometrie wird durch Untergrundereignisse begrenzt, die von der Lasereinstrahlung
unabhängig sind. Den größten Beitrag von etwa 90 % liefern Rydbergatome, die durch Stöße
mit Restgas und nicht durch Laserlicht in der optischen Anregungsstrecke erzeugt werden. Die restlichen
10 % der Untergrundzählrate werden durch Rydbergatome verursacht, die beim Ladungsaustausch produziert
und nicht im ” Rydbergfilter“ ionisiert wurden. Einen verschwindenden Beitrag verursachen Stöße mit
Restgas in der Feldionisationsregion. Damit beträgt der vom Ionenstrahl abhängige Untergrund 6(2)·10 −9
Ereignisse pro Strahlion hinter dem Massenseparator. Dazu kommt ein zur Meßdauer proportionaler Anteil,
der durch die Dunkelzählrate des Detektors von 5 mHz verursacht wird. Mit 1.9(5)·10 11 wurde die
geforderte Selektivität für 90 Sr deutlich überschritten. Für 88 Sr wurde sie mit 3.0(1.3)·10 10 erreicht.
Durch die vorliegenden Messungen konnte gezeigt werden, daß große Effizienzverluste im Apparaturteil zur
kollinearen Spektroskopie durch Verformungen der Ionenquelle und eine Dejustage der Extraktionselektrode
verursacht wurden. Große systhematische Fehler bei der Bestimmung der in der Probe vorhandenen Menge
des Radionuklids konnten auf Ungenauigkeiten bei der Einstellung des Magnetfelds zurückgeführt werden,
die durch Hystereseeffekte bedingt sind.
6.4.8 Bestimmung von 89 Sr und 90 Sr mit Resonanz-Ionisations-Spektroskopie in kollinearer Geometrie
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Klaus Zimmer
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. H.-J. Kluge
In Zusammenarbeit des Instituts für Kernchemie und des Instituts für Physik wurde eine neue, laserspektroskopische
Methode zur empfindlichen Bestimmung der radiotoxischen Isotope 89,90 Sr entwickelt. Ziel
der vorliegenden Arbeit war die erstmalige Anwendung dieses Verfahrens zur 90 Sr-Bestimmung in Luftfilterproben,
die während und unmittelbar nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl 1986 im Norden Münchens
gesammelt wurden. Ein experimenteller Schwerpunkt lag auf der Entwicklung einer Ionenquelle, die eine
effiziente Erzeugung eines Strontiumionenstrahls gewährleistet.
Nach Fertigstellung des experimentellen Aufbaus der RISIKO-Apparatur wurde eine zweistufige, widerstandsgeheizte
Ionenquelle entwickelt. Bei einer Probenmenge von 10 17 Atomen Strontium wurden Ionen-
30

quelleneffizienzen von typisch ≈ 5 bis 10 % bei Ionisatortemperaturen im Bereich 2500 K erreicht. Unter
Einsatz dieser Ionenquelle wurde im Mai / Juni 1993 erstmals der 90 Sr-Gehalt in realen Umweltproben
bestimmt. Es wurde ein 90 Sr-Gehalt von 1,5 mBq/m 3 mit einem mittleren statistischen Fehler (3σ) von ±
45,3 % und einem Fehler der Relativmessung von +8,0 % / -17,2 % ermittelt. Die Gesamteffizienz dieser
Messungen betrug maximal 1,7 · 10 −7 .
Zur Steigerung der Ionenquellen- und damit Gesamt-Nachweiseffizienz des Verfahrens wurde ein in Dubna
entwickelter Ionenquellentyp mit einem elektronenstoßgeheizten Wolframionisator an die RISIKO-Apparatur
angepaßt und installiert. Bei Ionisatortemperaturen um 3000 K wurden mit Probenmengen von 10 17
Atomen Strontium Ionenquelleneffizienzen von (63 ± 12) % erreicht. Bei einer Extraktionsöffnung des
Ionisators von 0,2 mm wurde eine Ionenstrahlemittanz von ≤ 1,4 mm mrad erzielt. Aufgrund von Raumladungseffekten
muß zur 89,90 Sr-Bestimmung in Umweltproben der Gesamtionenstrom auf ≈ 700 nA begrenzt
werden, um eine Transmission des Strahls durch die gesamte RISIKO-Apparatur von (71 ± 6) % und eine
Massenauflösung des Separators von Rp = 1360 ± 180 zu ermöglichen.
Die Gesamteffizienz des RISIKO-Verfahrens konnte durch die höhere Ionisationseffizienz und einige apparative
Detailverbesserungen auf ε ≈ 4 ·10 −6 gesteigert werden. Die Nachweisgrenze für 90 Sr in synthetischen
Proben wurde dadurch auf ≤ 10 7 Atome 90 Sr in 10 17 Atomen stabilem Strontium bei einer Isotopenselektivität
des Nachweisverfahrens von S ≥ 1,3 ·10 10 gesenkt. Unter Einsatz der Dubna-Ionenquelle wurde zum
ersten Mal 89 Sr, dessen Nachweis aufgrund der Hyperfeinaufspaltung der Resonanzlinien erschwert ist, in
einer synthetischen Probe bestimmt. In beiden verwendeten optischen Übergängen 5s4d 3 D2,3 → 5snf mit
n = 23 bzw. 32 wurde für 89 Sr eine Nachweisgrenze ≤ 10 8 Atome bei einem Gehalt von 10 16 Atomen
stabilem Strontium erreicht.
Der statistische Fehler der 89,90 Sr-Bestimmung in synthetischen Proben liegt unterhalb von 14 % (3σ), der
Fehler der Relativmessung beträgt +12,5 % / -14,1 %, wobei die Unsicherheit der relativen Detektorkalibration
mit ± 10 % dominiert. Die Meßdauer beträgt ≤ 4 Stunden. Die 90 Sr-Bestimmung in einem 2. Satz
von Luftfilterproben (siehe oben) ergab eine mittlere 90 Sr-Aktivität von 1,20 mBq/m 3 bei einem statistischen
Fehler von ± 2,6 % (3σ) und einem Fehler der Relativmessung von +12,1 % / -13,5 %. Dieser Wert
stimmt sehr gut mit dem Referenzwert von (1,180 ± 0,002) mBq/m 3 überein, der von der GSF radiometrisch
in einer wesentlich größeren Teilprobe ermittelt wurde. Zusammen mit der chemischen Abtrennung
kann die 89,90 Sr-Bestimmung in Umweltproben innerhalb eines Arbeitstages erfolgen. Die ursprünglichen
Anforderungen an das Nachweisverfahren können somit als erfüllt angesehen und die RISIKO-Methode zur
89,90 Sr-Bestimmung in Umweltproben angewandt werden.
6.4.9 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Blaum, K., Geppert, C., Müller, P., Nörtershauser, W., Otten, E.W., Schmitt, A., Trautmann, N., Wendt,
K., and Bushaw, B.A.: Properties and performance of a quadrupole mass filter used for resonance ionization
mass spectrometry, Int. J. Mass Spectr. Ion Processes 181, 67 - 87 (1998)
Blaum, K., Bushaw, B.A., Geppert, C., Müller, P., Nörtershauser, W., Schmitt, A., Trautmann, N., and
Wendt, K.: Diode-Laser-Based Resonance Ionization Mass Spectrometry of Gadolinium, AIP Conf. Proc.
454, RIS 98, Manchester, 275 -278 (1998)
Blaum, K., Bushaw, B.A., Müller, P., Nörtershauser, W., Ott, U., Otten, E.W., Schmitt, A., Trautmann,
N., and Wendt, K.: Diode-laser-based resonance ionization mass spectrometry of gadolinium, EPS Conf.
Proc. 23 D, EGAS 99, Marseille, 150-151 (1999)
Blaum, K., Bushaw, B.A., Geppert, Ch., Müller, P., Nörtershauser, and Wendt, K.: Peak shape for a quadrupole
mass spectrometer: comparison of computer simulation and experiment, Int. J. Mass Spectrom.,
in print (Juli 2000)
Blaum, K., Bushaw, B.A., Diel, S., Geppert, Ch., Kuschnick, A., Müller, P., Nörtershauser, W., Schmitt,
31

A., and Wendt, K.: Isotope shifts and hyperfine structure in the [Xe] 4f7 5d 6s2 9DJ r○ [Xe] 4f7 5d 6s 6p
9FJ+1 transitions of gadolinium, Eur. Phys. J. D 11, 37-44 (2000)
Blaum, K., Bushaw, B.A., Müller, P., Nörtershauser, W., Otten, E.W., Trautmann, N., Wendt, K., and
Wiche, B.: Ionen auf Abwegen - Optimierung eines Quadrupol-Massenspektrometers, Nr.: MS 4.4, DPG
FV-Massenspektrometrie, Mainz 1997
Blaum, K., Bushaw, B.A., Müller, P., Nörtershauser, W., Otten, E.W., Trautmann, N., Wendt, K., and
Wiche, B.: Ionen auf Abwegen - Optimierung eines Quadrupol-Massenspektrometers, Abstract No.: P 1,
30. AGMS-Tagung, Konstanz 1997
Blaum, K., Bushaw, B.A., Müller, P., Nörtershauser, W., Otten, E.W., Trautmann, N., Wendt, K., and Wiche,
B.: Isotopenselektive Ultraspurenanalyse mittels Diodenlaser-Resonanzionisations-Massenspektrometrie
RIMS, Abstract: Laser/Laseranalytik 6D, InCom-Tagung, Düsseldorf 1997
Blaum, K., Bushaw, B.A., Müller, P., Geppert, Ch., Nörtershauser, W., Otten E.W., Schmitt, A., Trautmann,
N., and Wendt, K.: Einsatz eines Diodenlaser-Quadrupol-Massenspektrometers zur selektiven und
empfindlichen Elementspurenbestimmung, Abstract No.: V 25, 31. AGMS-Tagung, Cottbus 1998
Blaum, K., Bushaw, B.A., Geppert, C., Müller, P., Nörtershauser, W., Schmitt, A., Trautmann, N., and
Wendt, K.: Diode laser resonance ionization mass spectrometry RIMS of Gadolinium, Abstract No.: P-2,
9th RIS Symposium, Manchester 1998
Blaum, K., Bushaw, B.A., Müller, P., Nörtershauser, W., Ott, U., Otten, E.W., Schmitt, A., Trautmann,
N., and Wendt, K.: Diode laser based resonance ionization mass spectrometry of gadolinium, Abstract
No.: P 60, 14. ICP-MS-Tagung, Mainz 1999
Blaum, K., Diel, S., Geppert, Ch., Müller, P., Nörtershauser, W., Schmitt, A., Trautmann, N., and
Wendt, K.: Den Ionen auf der Spur - Quantitative Beschreibung der Transmissionspeaks im Quadrupol-
Massenspektrometer, Nr.: MS 2.4, DPG FV-Massenspektrometrie, Heidelberg 1999
Blaum, K., Diel, S., Geppert, Ch., Müller, P., Nörtershauser, W., Schmitt, A., Otten, E.W., Trautmann,
N., and Wendt, K.: Den Ionen auf der Spur - Quantitative Beschreibung der Transmissionspeaks im
Quadrupol-Massenspektrometer, Abstract No.: V 4, 32. DGMS-Tagung, Oldenburg 1999
Blaum, K., Bushaw, B.A., Müller, P., Nörtershauser, W., Ott, U., Otten, E.W., Schmitt, A., Trautmann,
N., and Wendt, K.: Diode-laser-based resonance ionization mass spectrometry of gadolinium, Abstract
No.: P 1-18, 31st EGAS Conference, Marseille 1999
Blaum, K., Bushaw, B.A., Diel, S., Geppert, Ch., Kuschnick, A., Müller, P., Nörtershauser, W., Trautmann,
N., and Wendt, K.: Isotopenverhaltnismessungen mit der Resonanzionisations-Massenspektrometrie,
Abstract No.: V 2, 33. DGMS-Tagung, Berlin 2000
Blaum, K., Bushaw, B.A., Diel, S., Geppert, Ch., Kuschnick, A., Müller, P., Nörtershauser, W., Otten,
E.W., Trautmann, N., and Wendt, K.: Isotopieverschiebung und Hyperfeinstruktur im autoionisierenden
Spektrum von Gadolinium, Nr.: A 12.1, DPG FV-Atomphysik, Bonn 2000
Bushaw, B.A., H.-J. Kluge, J. Lantzsch, R. Schwalbach, J. Stenner, H. Stevens, K. Wendt, K. Zimmer
(1993): Hyperfine structure in 5s 4d 3D - 5snf transitions of 87 Sr. Z. Phys. D 28.
Bushaw, B.A., H.-J. Kluge, J. Lantzsch, R. Schwalbach, M. Schwarz, J. Stenner, H. Stevens, K. Wendt, K.
Zimmer (1995): Hyperfine structure of 87,89Sr 5s4d 3D - 5snf transitions in collinear fast beam RIMS. In:
AIP Conference Proceedings 329; Seventh International Symposium on Resonance Ionization Spectroscopy
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Kugler, E., D. Fiander, B. Jonson, H. Haas, A. Przewloka, H.L. Ravn, D.J. Simon, K. Zimmer and the
ISOLDE Collaboration (1992):The new CERN-ISOLDE on-line mass-separator facility at the PS-Booster.
Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B70.
32

Kunze, S., R. Hohmann, H.-J. Kluge, J. Lantzsch, L. Monz, J. Stenner, K. Stratmann, K. Wendt, K.
Zimmer (1993): Lifetime measurements of highly excited Rydberg states of strontium I. Z. Phys. D 27.
Lantzsch, J., B.A. Bushaw, G. Herrmann, H.-J. Kluge, L. Monz, S. Nieß, E.W. Otten, R. Schwalbach,
M. Schwarz, J. Stenner, N. Trautmann, K. Walter, K. Wendt, K. Zimmer (1995): Spurenbestimmung der
Radionuklide Strontium-90 und Strontium-89 in Umweltproben, I: Lasermassenspektrometrie. Angewandte
Chemie 107, Nr.2.
Lantzsch, J., B.A. Bushaw, B.A. Bystrov, G. Herrmann, H.-J. Kluge, S. Nieß, E.W. Otten, G. Passler,
R. Schwalbach, M. Schwarz, J. Stenner, N. Trautmann, K. Wendt, Y.V. Yushkevich, K. Zimmer (1995):
Trace determination of 89 Sr and 90 Sr in environmental samples by collinear Resonance Ionization Mass
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Ionization Spectroscopy and its Applications held in Bernkastel, Germany, 3 - 8 July 1994, eds.: H.-J.Kluge,
J.E. Parks, K. Wendt; AIP Press, New York.
Monz, L., R. Hohmann, H.-J. Kluge, S. Kunze, J. Lantzsch, J. Stenner, K. Stratmann, K. Wendt, K.
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Monz, L., R. Hohmann, H.-J. Kluge, S. Kunze, J. Lantzsch, E.W. Otten, G. Passler, P. Senne, J. Stenner,
K. Stratmann, K. Wendt, K. Zimmer, G. Herrmann, N. Trautmann, K. Walter (1992): Collinear Resonance
Ionization Spectroscopy for the determination of strontium-90 and strontium-89 in environmental samples.
In: Proceedings of the Sixth International Symposium on Resonance Ionization Spectro- scopy and its
Applications held in Santa Fe, New Mexico, USA 24-29 May 1992, eds. C.M. Miller and J.E. Parks, IOP
Conf. Ser. No. 128, Adam Hilger Press, Bristol.
Nörtershauser, W., Blaum, K., and Bushaw, B.A.: Isotope shifts and hyperfine structure in the [Xe] 4f7
5d 6s 6p 9F7 r○ 9D6SES transition of gadolinium, Phys. Rev. A. 62, XXX (2000)
Stratmann, K., R. Hohmann, H.-J. Kluge, S. Kunze, J. Lantzsch, L. Monz, E.W. Otten, G. Passler, J.
Stenner, K. Wendt, K. Zimmer (1994): High-resolution field ionizer for state-selective detection of Rydberg
atoms in fast- beam laser spectroscopy. Rev. Sci. Instrum. Vol. 65, No. 6.
Wendt, K., K. Christian, G. Haub, S. Köhler, H.-J. Kluge, L. Monz, E.W. Otten, G. Passler, P. Senne, J.
Stenner, K. Zimmer, G. Herrmann, N. Trautmann, K. Walter (1990): Quantitative Detection of Strontium-
90 and Strontium-89 in Environmental Samples by Laser Mass Spectrometry. In: Optoelectronics for
Environmental Science, eds.: S. Martellucci and A.N. Chester, Plenum Press, New York.
Wendt, K., K. Christian, G. Haub, S. Köhler, H.-J. Kluge, L. Monz, E.W. Otten, G. Passler, P. Senne,
J. Stenner, K. Zimmer, G. Herrmann, N. Trautmann, K. Walter (1991): Collinear Resonance Ionization
Spectroscopy for the Quantitative Detection of Strontium-90 and Strontium-89 in Environmental Samples.
In: Proceedings of the Fifth International Symposium on Resonance Ionization Spectro- scopy and its
Applications held at the Congress Centre Villa Poni, Varese, Italy 16 - 21 Sept. 1990, eds. J.E. Parks and
N. Omenetto, IOP Conf. Ser. No. 114, Inst. Phys., Bristol.
Wendt, K., G. Herrmann, R. Hohmann, H.-J. Kluge, S. Kunze, J. Lantzsch, L. Monz, E.W. Otten, G.
Passler, J. Stenner, K. Stratmann, N. Trautmann, K. Walter, K. Zimmer (1992): Determination of term
energy, hyperfine structure and life-time of strontium Rydberg levels by Resonance Ionization Spectroscopy
in Collinear Geometry. In: Proceedings of the Sixth International Symposium on Resonance Ionization
Spectro- scopy and its Applications held in Santa Fe, New Mexico, USA 24-29 May 1992, eds. C.M. Miller
and J.E. Parks, IOP Conf. Ser. No. 128, Adam Hilger Press, Bristol.
Wendt, K., Blaum, K., Bushaw, B.A., Grüning, C., Horn, R., Huber, G., Kratz, J.V., Kunz, P., Müller,
P., Nörtershauser, W., Nunnemann, M., Passler, G., Schmitt, A., Trautmann, N., and Waldek, A.: Recent
developments in and applications of resonance ionization mass spectrometry, Fresenius J. Anal. Chem.
33

364, 471-477 (1999)
Yushkevich, Y.V., K. Zimmer, G.J. Beyer, V.A. Bystrov, H.-J. Kluge, A.F. Novgorodov, E.W. Otten,
N. Trautmann, K. Wendt (1994): Hocheffektive Oberflächenionisationsquelle zur Bestimmung von ultra
Mikromengen radioaktiver Strontiumisotope. JINR Dubna, LJAP, Dubna, Rußland (in russischer Sprache)
Zimmer, K., G. Beyer, B.A. Bystrov, H.-J. Kluge, A.F. Novgorodov, E.W. Otten, N. Trautmann, K. Wendt,
Y.V. Yushkevich (1993): Development of an efficient ion source for trace detection of radioactive strontium
isotopes in environmental samples. Proposal to the 8. JINR Scientific Coordination Council on low and
intermediate energies, JINR, Dubna, Russia, April 22 -24.
Zimmer, K., J. Stenner, H.-J. Kluge, J. Lantzsch, L. Monz, E.W. Otten, G. Passler, R. Schwalbach,
M. Schwarz, H. Stevens, K. Wendt, G. Herrmann, S. Nieß, N. Trautmann, K. Walter, B.A. Bushaw
(1994): Determination of 90 Sr in environmental samples with resonance ionization spectroscopy in collinear
geometry. Appl. Phys. B29.
34

7 Projekte am Fachbereich 19 (Chemie)
7.1 Kernchemie
Univ.-Prof. Dr. G. Herrmann, Dr. N. Trautmann und Mitarbeiter (Institut für Kernchemie)
7.1.1 Ultraspurenanalyse von Aktinoiden mittels Laser-Massenspektrometrie
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Carsten Grüning
Hauptbetreuer: Dr. N. Trautmann
Ziel der ersten Phase der Promotion ist der Aufbau, Charakterisierung und Test eines neuartigen, Nd:YAG
gepumpten, aus 3 Titan-Saphir Lasern bestehenden Systems, um zusammen mit einem Flugzeitmassenspektrometer
Aktinoide mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie in Ultraspurenmengen nachzuweisen.
Dieses Einsatzgebiet der Laser stellt spezifische Anforderungen an das System: es muss hochrepetierend
und leistungsstark sein, eine Linienbreite von wenigen Gigahertz haben und seine Wellenlänge über einen
großen Bereich präzise und reproduzierbar einstellbar sein.
Ausgehend von Vorarbeiten in der Arbeitsgruppe sind Halterungen für die wellenlängenselektiven Elemente
Etalon und Birefringent-Filter konstruiert worden. Über computergesteuerte Schrittmotoren lassen sich jetzt
die Wellenlängen aller 3 Titan-Saphir Laser durch Verdrehen eines Birefringent-Filters in einem Bereich von
730 - 900 nm exakt einstellen. Wichtig ist insbesondere die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Etalon
Positionierung, die durch umfangreiche Messungen dokumentiert wurde. Der Fehler in der eingestellten
Wellenlänge ist kleiner als die Auflösung des zur Wellenlängenmessung eingesetzten Wavemeters. Durch
Verkippen des Etalons lässt sich der Laser um 250 GHz verstimmen bei einer Linienbreite von 5 GHz.
Die Synchronisation der drei Titan-Saphir Laser wird durch eine Pockelszelle in jedem Laser realisiert. Sie
arbeiten als schneller Güteschalter des Laserresonators. Die dazugehörende schnelle Hochspannungselektronik
wurde aufgebaut. Das Gesamtsystem ist eingehend getestet worden. Mit der Pockelszelle lässt sich
der Titan-Saphir Laserpuls relativ zum Pumppuls um mehrere Mikrosekunden verschieben, ohne dass die
spektralen Eigenschaften des Lasers beeinflusst werden.
Bei laufenden Messreihen zum Nachweis von Plutonium mit dem Kupferdampf- / Farbstoff-Lasersystem
habe ich intensiv mitgearbeitet. In Zusammenarbeit mit dem National Radiation Protection Board in England
wird Plutonium in Urinporben zum Verständnis der Plutoniumausscheidung im menschlichen Körper
nachgewiesen. Für die Bundesforschungsanstalt für Fischerei in Hamburg sind Meerwasserproben aus dem
Nordatlantik auf ihren Plutoniumgehalt hin untersucht worden. Dabei habe ich mich in die Funktionsweise
und Handhabung des Kupferdampf- / Farbstofflasersystems, des Flugzeitmassenspektrometers und der
Messelektronik eingearbeitet, um sie auch bei Messungen mit dem Titan-Saphir Lasersystem einsetzen zu
können. Weiterhin arbeite ich an Bestimmungen der Technetiumgehalte in Meerwasserproben für die International
Atomic Energy Agency und die Bundesforschungsanstalt für Fischerei mit. Das Technetium wird
dabei in einer Laserionenquelle resonant ionisiert und in einem doppelfokussierenden Massenspektrometer
nachgewiesen.
Mit dem Titan-Saphir Lasersystem und dem Flugzeitmassenspektrometer habe ich Effizienzmessungen der
gesamten Apparatur durchgeführt. Dabei wurden Proben mit etwa 1 · 10 11 Atomen Plutonium 239 bzw.
240 verwendet. Die abgedampften Atome wurden in einem dreistufigen Anregungs- und Ionisationsprozess
ionisiert und im Massenspektrometer nachgewiesen. Es konnten jeweils 10 6 Ionen Plutonium nachgewiesen
werden bei wenigen Untergrundereignissen. Das ergibt eine Effizienz des Gesamtsystems von typischer
Weise 1 · 10 −5 und eine Nachweisgrenze von etwa 1 · 10 6 Atomen Plutonium.
Zur isotopenselektiven Ultraspurenanalyse ist die genaue Kenntnis der Wellenlängen im verwendeten Anregungsschema
für alle Isotope notwendig. Dazu sind die Isotopieverschiebungen der Plutoniumisotope 238
35

is 244 bestimmt worden.
Über die Arbeiten mit dem Titan-Saphir Lasersystem wurde auf 4 Konferenzen berichtet. Dies waren
Vorträge auf den Frühjahrstagungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 1998 in Konstanz und 1999
in Heidelberg und dem InCom’99 Symposium in Düsseldorf. Auf dem Symposium ” Resonance Ionisation
Spectroscopy“ 1998 in Manchester wurde ein Poster vorgestellt. Auf der Messe ” Laser 99“ in München
wurde ein Titan-Saphir Laser einem breiten Publikum präsentiert.
7.1.2 Bestimmung der Ionisationsenergien von Curium und Plutonium
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Stefan Köhler
Hauptbetreuer: Dr. N. Trautmann
Die Ionisationsenergie (IP) spielt als fundamentale Größe eines Elements in vielen physikalischen und chemischen
Prozessen eine wichtige Rolle. Ihre präzise Bestimmung dient der Untersuchung systematischer
Trends in den Bindungsenergien und unterstützt die Interpretation atomarer Spektren. Zudem kann die
Ionisationsenergie als Test für Multi-Konfigurations-Dirac-Fock-Rechnungen dienen. Die präzisesten Bestimmungen
der Ionisationsenergien wurden mittels Laserspektroskopie durchgeführt. So wurde die Ionisationsenergie
des schwersten bisher untersuchten Elements, Plutonium, über die Konvergenzen von
Rydbergserien ermittelt, wobei jedoch bis zu 2 g Plutonium eingesetzt werden mussten. Für die schwereren
Aktiniden existieren nur Vorhersagen der Ionisationsenergien, die aus spektroskopischen Daten abgeleitet
sind.
Aufgrund der hohen Nachweiseffizienz der Resonanzionisations-Massenspektroskopie, die atomspektroskopische
Untersuchungen auch bei sehr geringen Probenmengen (≤ 10 12 Atome) zulässt, ist es möglich, die
Ionisationsenergie der schwereren Aktiniden zu bestimmen, welche nur in geringen Mengen zugänglich und
handhabbar sind.
Hierzu wird dem Coulombpotential des Atoms ein externes, statisches elektrisches Feld überlagert, so dass
es nach dem klassischen Sattelpunktmodell zu einer Absenkung des Potentials in Richtung des elektrischen
Feldes kommt. Die energetische Lage des entstehenden Sattelpunkts ist linear von der Wurzel der elektrischen
Feldstärke abhängig. Alle Zustände, die nun energetisch über dem Sattelpunkt liegen, werden
feldionisiert. Den Sattelpunkt bezeichnet man daher als Ionisationsschwelle im elektrischen Feld. Experimentell
wird mit Hilfe eines Lasersystems, bestehende aus drei durchstimmbaren Farbstofflasern und zwei
Kupferdampflasern, ein angeregter Zustand des Atoms in zwei Stufen durch Laserlicht resonant populiert.
Das in einem vorgegebenen statischen elektrischen Feld befindliche Atom wird dann durch einen weiteren
Laserstrahl ionisiert, dessen Frequenz durchgestimmt wird. Die erzeugten Ionen werden in einem Flugzeitspektrometer
massenselektiv nachgewiesen. Die Lage der Ionisationsschwelle wird durch den spontanen
Anstieg des Ionensignals bestimmt. Führt man diese Messung bei unterschiedlichen Feldstärken durch, so
kann die Ionisatiosnenergie nach dem Sattelpunktmodell durch Extrapolation der Ionisationsschwelle auf
die Feldstärke Null bestimmt werden.
Auf diese Art und Weise wurde die Ionisationsenergie von 248 Cm über 15 Messpunkte mit insgesamt nur
6 · 10 12 Atomen zu IP( 248 Cm) = 48324(2) cm −1 ≡ 5.9915(2) eV zum ersten Mal bestimmt. Die Ionisationsenergie
von 239 Pu wurde zur Bestätigung der Methode erneut gemessen und zu IP( 239 Pu) = 48601(2)
cm −1 ≡ 6.0258(2) eV erhalten, wobei 1·10 12 Atome (0.4 ng) verwendet wurden. Die Übereinstimmung mit
dem durch Rydbergkonvergenzen ermittelten Literaturwert von IP( 239 Pu) = 48604(1) cm −1 ≡ 6.0262(2)
eV ist hervorragend und bestätigt die hohe Präzision der verwendeten Methode. Die hohe Empfindlichkeit
der Resonanzionisations-Massenspektroskopie wurde im Hinblick auf die Spurenanalyse von Curium
exploriert, wobei eine Nachweisgrenze für Curium von 7 · 10 6 Atomen angegeben werden kann.
36

7.1.3 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
R. Deißenberger, S. Köhler, F. Ames, K. Eberhardt, N. Erdmann, H. Funk, G. Herrmann, H.-J. Kluge, M.
Nunnemann, G. Passler, J. Riegel, F. Scheerer, N. Trautmann, F.-J. Urban Erste Messung der Ionisationsenergie
der Elemente Americium und Curium Angew. Chem. 107, 891 (1995)
R. Deissenberger, S. Köhler, F. Ames, K. Eberhardt, N. Erdmann, H. Funk, G. Herrmann, H.-J. Kluge,
M. Nunnemann, G. Passler, J. Riegel, F. Scheerer, N. Trautmann, F.-J. Urban First Determination of the
Ionization Potential of Americium and Curium Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 34, 814 (1995)
S. Köhler, F. Albus, R. Deißenberger, N. Erdmann, H. Funk, H.-U. Hasse, G. Herrmann, G. Huber, H.-J.
Kluge, M. Nunnemann, G. Passler, P.M. Rao, J. Riegel, N. Trautmann, F.-J. Urban Determination of the
First Ionization Potential of Actinides by Resonance Ionization Mass Spectroscopy in: Resonance Ionization
Spectroscopy 1994, AIP Conference Proceedings 329 (H.-J. Kluge, J.E. Parks, K. Wendt eds.) p. 377,
AIP Press, New York 1995
S. Köhler, N. Erdmann, M. Nunnemann, G. Herrmann, G. Huber, J.V. Kratz, G. Passler, N. Trautmann Die
experimentelle Bestimmung der Ionisationsenergien von Berkelium und Californium Angew. Chem. 108,
3036 (1996)
S. Koehler, N. Erdmann, M. Nunnemann, G. Herrmann, G. Huber, J.V. Kratz, G. Passler, N. Trautmann
First Experimental Determination of the Ionization Potentials of Berkelium and Californium Angew. Chem.
Int. Ed. Engl. 35, 2856 (1996)
M. Nunnemann, K. Eberhardt, N. Erdmann, G. Herrmann, G. Huber, S. Köhler, J.V. Kratz, A. Nähler,
G. Passler, N. Trautmann Determination of the First Ionization Potential of Berkelium and Californium
by Resonance Ionization Mass Spectroscopy in: Resonance Ionization Spectroscopy 1996, AIP Conference
Proceedings 388 (N. Winograd, J.E. Parks eds.) p. 267, AIP Press, New York 1997
S. Köhler, R. Deißenberger, K. Eberhardt, N. Erdmann, G. Herrmann, G. Huber, J.V. Kratz, M. Nunnemann,
G. Passler, P.M. Rao, J. Riegel, N. Trautmann, K. Wendt Determination of the First Ionization
Potential of Actinide Elements by Resonance Ionization Mass Spectroscopy Spectrochimica Acta B52, 717
(1997)
N. Erdmann, M. Nunnemann, K. Eberhardt, G. Herrmann, G. Huber, S. Köhler, J.V. Kratz, G. Passler,
J.R. Peterson, N. Trautmann, A. Waldek Determination of the First Ionization Potential of Nine Actinide
Elements by Resonance Ionization Mass Spectroscopy (RIMS) J. Alloys and Compounds 271-273, 837
(1998)
7.2 Physikalische Chemie
Univ.-Prof. Dr. W. Baumann und Mitarbeiter (Institut für physikalische Chemie)
7.2.1 Speziesanalytik quecksilberorganischer Verbindungen und deren Anwendung auf biotische
und abiotische Matrizes
Bearbeiter: Dipl.-Chem. R. Fischer
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. W. Baumann, Prof. Dr. M. Andreae
In dieser Arbeit wurden der Gehalt und das Mobilitäts- sowie Akkumulationsverhalten von quecksilberorganischen
Verbindungen in ausgewählten terrestrischen Umweltkompartimenten des ehemalige Quecksilber-
Bergbaugebietes ” Stahlberg“ untersucht.
Als speziesselektive Analysenmethode für die Identifizierung und Quantifizierung von Organo-Quecksilber-
Spezies wurde ein ” Purge and Trap“-Quarzofen-Atomabsorptionsspektrometer-System entwickelt. Dieses
37

Verfahren beruht auf dem Prinzip der in-situ Derivatisierung (Ethylierung) der Quecksilber-Spezies mit
Natriumaethylborat. Die absolute Erfassungsgrenze für Methylquecksilber beträgt 4 pg. Die relative Nachweisgrenze
liegt unter 1 ng Hg/(g Trockenmasse) für verschiedene Matrizes. Diese Methode stellt ein
kostengünstiges, einfaches, schnelles und vor allem nachweisstarkes Analyseverfahren dar, das mit sehr
guter Reproduzierbarkeit und Richtigkeit in diesem Spurenelementbereich arbeitet.
Die Methylquecksilber-Gehalte von Humusmaterial liegen in einem Konzentrationsbereich zwischen
0.008 und 0.9 µg Hg/(g Trockenmasse). Das Methylquecksilber ist vermutlich auf Mikroorganismen
zurückzuführen, die anorganisches Quecksilber methylieren können (Biotransformation). Der
Methylquecksilber-Anteil an der Gesamtquecksilber-Konzentration im Humusmaterial beträgt nur 0.02 -
0.12 %.
Die Methylquecksilber-Gehalte der Großpilze variierten zwischen 0.08 und 8.0 µg Hg/(g Trockenmasse).
Der Anteil von Methylquecksilber am Gesamtquecksilber-Gehalt beträgt 1 - 19 %. Die Methylquecksilberund
Gesamtquecksilber-Gehalte aus dem Gebiet ” Stahlberg“ können um mehr als drei Größenordnungen
über den Gehalten von Pilzen aus unbelasteten Gebieten liegen.
Methylquecksilber wird in den Fruchtkörpern von Großpilzen akkumuliert. Im Gegensatz dazu wurde keine
Akkumulation von Gesamtquecksilber gegenüber der Bodenkonzentration festgestellt. Methylquecksilber
wird jedoch nicht nur akkumuliert, sondern kann auch durch Pilze aus anorganischem Quecksilber gebildet
werden. Durch ein mit zwei saprophytischen Pilzen durchgeführtes Laborexperiment konnte erstmals gezeigt
werden, daß auch Großpilze anorganisches Quecksilber zu Methylquecksilber transformieren können. Es
konnte eine lineare Abhängigkeit des produzierten Methylquecksilber gegenüber der Ausgangskonzentration
an HgCl2 im Nährmedium nachgewiesen werden.
Die Quecksilberaufnahme von höheren Pflanzen wurde anhand von Feldsalat untersucht. Die Methylquecksilber-Konzentration
in Feldsalatblättern waren um mehr als drei Größenordnungen niedriger als die
Gesamtquecksilber-Gehalte. Es wurde eine Aufnahme von Methylquecksilber (30 - 40 %) und Gesamtquecksilber
(23 %) aus dem Wachstumssubstrat gemessen. Weder Methylquecksilber noch Gesamtquecksilber
wurden jedoch in Feldsalatblättern akkumuliert.
7.2.2 Entwicklung einer neuartigen, direkt potentiometrischen Immunoelektrode gegen Atrazin,
die auf einem kompetitiven Format beruht
Bearbeiterin: Dr. Heike Holthues
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. W. Baumann
Frau Holthues hat durch sehr sauberes und gründliches Arbeiten und wissenschaftliches Geschick wichtige
Beiträge in unserer Gruppe zur Entwicklung von direkt potentiometrischen Immunoelektroden zur organischen
Spurenanalytik gelegt. Solche Elektroden nutzen die Potentialänderung analytisch aus, die man
beobachtet, wenn ein Antigen bzw. der nachzuweisende Analyt am auf der Elektrode immobiliserten Antikörper
andockt. Durch ihre Arbeiten induziert werden wir in Zukunft eher einerseits inverse kompetitive
Systeme untersuchen, in denen der Analyt selbst auf der Elektrode immobilisiert ist und der in Lösung
nachzuweisende Analyt mit dem immobilisierten um die reaktiven Plätze der der Lösung zuzusetzenden
Antikörper konkurriert. Andererseits werden wir verstärkt die indirekt potentimetrischen Methoden untersuchen,
die beispielsweise pH-Elektroden als finalen Detektoren für die Reaktion Antikörper/Antigen(Analyt
einsetzen.
Frau Holthues´ lange Promotionszeit ist begründet dadurch, daß sie fast während der ganzen Dauer der
Promotion eine volle Stelle zur Betreuung des arbeitsintensiven Medizinerpraktikums in Chemie hatte.
38

7.2.3 Auswirkungen der organischen Fremdstoffbelastung eines eutrophen Sees in der Region
dos Lagos/Brasilien auf die Kontamination des Grund- und Trinkwassers
Bearbeiter: Dipl.-Chem. Marcus Stumpf
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. W. Baumann
Herr Stumpf lieferte mit mehreren Aufenthalten am Departamento de Química Analítica der Universidade
Federal Fluminense die Basis für eine weitere fruchtbare Kooperation der Gruppe Baumann mit diesem
Departamento. So baute Herr Stumpf dort wesentliche Einrichtungen zur organischen Spurenanalytik auf,
die heute noch gerne benutzt werden.
Herr Stumpf war an einer Reihe von Publikationen beteiligt, die teilweise auch deutlich über das Promotionsthema
hinausgingen.
7.2.4 Qualifizierung und Quantifizierung von Fremdstoffen in Wasser und Fischen aus unterschiedlich
belasteten Gewässern mittels Gaschromatographie / Massenspektroskopie
Bearbeiter: Dipl.-Chem. Thomas Ternes
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. W. Baumann
Zur Bearbeitung des Themas wurde ein Analytiklabor aufgebaut. Danach konnten Methoden etabliert bzw.
entwickelt werden, die einen Nachweis von polaren bis lipophilen Substanzen im Wasser und in den Fischen
im Bereich von ng/kg ermöglichen.
Für die Wasseranalytik stehen nunmehr für Triazine, Carbonsäureamide, Phenylharnstoffe, Aniline, Phenole,
Phenoxycarbonsäuren, Cyclodien-Insektizide, HCH-Isomere, chlorierte Benzole, DDT und verwandte
Verbindungen, polychlorierte Biphenyle und UV-Filtersubstanzen die Methoden für die GC/MS-Analytik
zur Verfügung. Die zur Analyse der Fische entwickelten Methoden ermöglichen die simultane Erfassung
der mittelpolaren Triazine und Carbonsäureamide mit den lipophilen Fremdstoffen in einer Aufbereitung,
sowie die Bestimmung der Phenoxycarbonsäuren in einem weiteren Probenäquivalent. Gemündener Maar,
Weinfelder Maar, Meerfelder Maar (Eifel), Neuhofener Altrhein und Hegbachsee (Oberrheinebene) wurden
bezüglich der Belastung mit organischen Fremdstoffen im Sommer 1991 charakterisiert. Es wurden hierzu
sowohl das Wasser als auch die Belastung von Fischen untersucht. Von jedem See wurden zwei Wasserproben
gezogen, eine Mischprobe des Epilimnions an der tiefsten Stelle des Sees und eine ufernahe Probe.
Die Untersuchung der Wasserproben, die zwischen dem 28.6.91 und dem 8.7.91 entnommen wurden,
umfaßt die folgenden Fremdstoffe: Triazine (Atrazin,..), Phenole (DNOC,..), Phenoxycarbonsäuren (2,4-
D,..), Aniline (3,4-DCA,..), substituierte Phenylharnstoffe (Diuron,..), chlorierte Benzole (Quintocen,..),
Carbonsäureamide (Metolachlor,..), Cyclodien-Insektizide (Isodrin,..), polychlorierte Biphenyle (PCB’s),
HCH-Isomere sowie DDT mit verwandten Verbindungen. In den fünf Seen konnten insgesamt dreizehn
Substanzen nachgewiesen werden. Die Konzentrationen der einzelnen Substanzen bewegen sich zwischen
1 und 157 ng/L.
Der Hegbachsee ist in bezug auf die untersuchten Substanzen eindeutig der am stärksten belastete See.
Im Epilimnion im Bereich der tiefsten Stelle des Sees sind in der Summe rund 520 ng/L an Herbiziden
nachweisbar. Der Neuhofener Altrhein liegt mit 57 ng/L um den Faktor 10 darunter. Die drei Maare
weisen mit 18 ng/L (Weinfelder Maar/Tiefste Stelle), 28 ng/L (Gemündener Maar/Schwimmstelle) und
33 ng/L (Meerfelder Maar/Tiefste Stelle) die niedrigsten Werte auf. Da die Maare keine oberirdischen
Zuläufe besitzen und zudem der Einsatz von Pestiziden in unmittelbarer Nähe verboten ist, ist ein Eintrag
der Substanzen aus der Atmosphäre anzunehmen.
In den Fischen der jeweiligen Seen können eine Vielzahl von lipophilen Substanzen bestimmt werden, die
im Wasser nicht nachweisbar sind. In den Rotaugen (Rutilus rutilus) des Hegbachsees zum Beispiel befinden
sich 312 ng Lindan pro Kilogramm Fischfilet, im Wasser dagegen liegt die Lindankonzentration
39

unter der Nachweisgrenze von 1 ng/L. Der Fisch dient demnach für diese Substanz aufgrund eines großen
Anreicherungsfaktors als Biomonitor. Von der Gruppe der Triazine und Carbonsäureamide können in den
Rotaugen des Hegbachsees Atrazin und Metolachlor nachgewiesen werden. Atrazin weist im Fischfilet eine
Konzentration von 346 ng/kg Filet auf, so daß gegenüber 57 ng/L im Wasser ein Anreicherungsfaktor
von 6 resultiert. Die Phenoxycarbonsäuren Mecoprop, Dichlorprop, MCPA und 2,4-D sind ebenfalls nachweisbar.
Ihre Konzentrationen bewegen sich zwischen 119 und 498 ng/kg Filet. (Die Methode erfaßt die
Phenoxycarbonsäuren plus deren Metabolite). Die Anreicherungsfaktoren liegen zwischen 1,3 und 20,5.
7.2.5 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Holthues, H., U. Pfeifer-Fukumura and W. Baumann (2000): Design and Synthesis of New Heterologous
Atrazine Haptens and Their Differential Recognition in Enzyme-Immunoaasays. Eingereicht zu Anal. Chim.
Acta
Holthues, H., U. Pfeifer-Fukumura, I. Hartmann, W. Baumann (2000): Immunoassays and the heterology
principle. In Vorbereitung.
Pfeifer-Fukumura, U., I. Hartmann, H. Holthues and W. Baumann (1999): New Developments in Immunochemical
Water Analysis Down to 30µl Sample Volume. Talanta, 48, 803 - 819
Stumpf, M., T. Ternes, K. Haberer, P. Seel and W. Baumann (1996): Nachweis von Arzneimittelrückständen
in Kläranlagen und Fließgewässern. Vom Wasser 86, 291-303
Stumpf, M., T.A. Ternes, K. Haberer and W. Baumann (1996): Verbreitung von Pharmaka in deutschen
Fließgewässern. 20. Achener Werkstattgespräch, Essen 1996, 2 - 8
Stumpf, M., T. Ternes, K. Haberer and W. Baumann (1996): achweis von natürlichen und synthetischen
Östrogenen in Kläranalagen und Fließgewässern. Vom Wasser 87, 251-261
Stumpf, M., K. Haberer, S. V. Rodrigues and W. Baumann (1997): Organic Residues in the Lagoa de
Juturnaíba (Região dos lagos, RJ, Brazil) and in drinking water. J. Brazil. Chem. Soc. 8, 509-514
Stumpf, M., T.A. Ternes, K. Haberer, und Wolfram Baumann (1998): Isolierung von Ibuprofen-Metaboliten
und deren Bedeutung als Kontaminanten der aquatischen Umwelt. Vom Wasser, 91, 291-303
Stumpf, M., T.A. Ternes, R.-D. Wilken, S.V. Rodrigues, W. Baumann (1999): Polar drug residues in
sewage and natural waters in the state of Rio de Janeiro. The Science of the Total Environment, 225, 135
- 141
Stumpf, M., T. Ternes, S. V. Rodrigues and W. Baumann (1997): Determinação de Residuos Farmaceúticos
em Àguas Através de Cromatografia Gasosa - Espectrometria de Massas. Livro de Resumos do IX Encontro
Nacional de Química Analítica. Campus USP São Carlos, 31. 8. - 3.9. 1997, page 4
Stumpf, M., T. Ternes, K. Haberer, S. Rodrigues, and W. Baumann (1998): Comparative studies of
Drug Contamination in Waste, River, and Tap-water Between Brazil and Germany. 28th Symposium of
Environmental Analytical Chemistry (ISEAC), Genève, Switherland, 1. - 5. 3. 1998
Stumpf, M., T. Ternes, S.V. Rodrigues, W. Baumann (1997): Determinação de residuos farmaceúticos em
águas através de Cromatografia Gasosa - Espectrometria de massas. IX Encontro Nacional de Química
Analítica, São Carl, 31. 8. - 3. 9. 1997
40

8 Projekte am Fachbereich 21 (Biologie)
8.1 Photosynthese, physiologische Ökologie, Streßphysiologie
Univ.-Prof. Dr. A. Wild und Mitarbeiter (Institut für Allgemeine Botanik)
8.1.1 Ökophysiologische Untersuchungen des Photosyntheseapparates bei Fichte (Picea abies
(L.) Karst) mit Hilfe der Chlorophyllfluoreszenz-Meßtechnik
Bearbeiter: Dr. Bernhard Dietz
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Die Intention der vorliegenden Arbeit war einerseits die beschreibende Erfassung und differenzierende
Beurteilung von Schadcharakteristika (diagnostischer Ausgangspunkt) und als weitere Konsequenz
die Erörterung einer praktischen Applikation dieser Erkenntnisse für eine Bioindikation ” Neuartiger
Waldschäden“.
Mit Hilfe der nichtdestruktiven Chlorophyllfluoreszenz-Meßtechnik wurden an äußerlich ungeschädigten,
grünen Nadeln unterschiedlich stark geschädigter Freilandfichten in vivo-Untersuchungen des von der
Schädigung besonders betroffenen Photosyntheseapparates vorgenommen.
Die Fluoreszenzdaten weisen auf eine gesteigerte Sensitivität geschädigter Fichten gegenüber Lichtstress
hin, welcher die Bildung toxischer Sauerstoffspezies verstärkt. Die Pflanze verfügt über eine gestaffelte,
mehrstufige Defensive, die es ihr ermöglicht, die Entstehung bzw. die Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies
zu verhindern. Der erste Schritt hierbei ist das Abführen überschüssiger Anregungsenergie.
Das erhöhte terminale nicht-photochemische Quenching (qN)t der geschädigten Fichten sowie weitere
Fluoreszenzparameter lassen auf eine solche verstärkte Dissipation von überschüssiger Anregungsenergie
schließen.
Ein vielfach belegtes Indiz für Photoinhibition ist die Erniedrigung des Verhältnisses variabler zu maximaler
Fluoreszenz - ein Maß für die Quantenausbeute des PS II. Die reversible Photoinhibition wird ebenfalls als
Schutzinstrument gegenüber Lichtstress angesehen.
Ein weiteres Indiz für eine gesteigerte Lichtsensitivität geschädigter Fichten ist die gegenüber den relativ
ungeschädigten Bäumen verminderte Wiedererholung der variablen Fluoreszenz nach photoinhibitorischem
Stress.
Außerdem gibt es Hinweise auf eine Destabilisierung der lichtsammelnden Pigment-Protein-Komplexe
geschädigter Fichten. Dafür sprechen der niedrigere Kritische Punkt der Fo-Temperaturabhängigkeitskurve
und die erhöhte initiale Grundfluoreszenz geschädigter Fichten. Einen weiteren Anhaltspunkt für eine
Störung des Excitonentransfers liefern die Ergebnisse der Tieftemperaturspektren der Chlorophyllfluoreszenz.
Fast alle Parameter, die eine gesteigerte Lichtsensitivität geschädigter Fichten signalisieren, zeigen einen
ausgeprägten Jahresgang mit den deutlichsten Effekten in den Wintermonaten.
Es wird diskutiert, daß diese Beobachtung auf den sogenannten ” Memory“-Effekt des Ozons zurückgeführt
werden könnte. Die hohe Ozon-Immission bei gleichzeitig erhöhter Globalstrahlung im Sommer führt
zu einer latenten Membranschädigung, die Wochen später in einer verminderten Frosthärtung bzw.
Kälteresistenz resultiert. In der Folge kommt es zu einer stärkeren Anfälligkeit der geschädigten Fichten
gegenüber Photooxidation und Photoinhibition. Wesentlich für das Auftreten von Photoinhibition
ist nicht die Absoluthöhe der Lichtintensität, sondern das Ungleichgewicht zwischen der Absorption und
dem ” Verbrauch“ von Lichtquanten in der Photosynthese. Deshalb können selbst die mäßigen winterlichen
Lichtintensitäten in Verbindung mit niedrigen Temperaturen zu einer im Vergleich zum Sommer verstärkten
41

Photoinhibition führen.
Den phänotypisch sichtbaren Schäden bei Waldbäumen gehen physiologische Veränderungen voraus. Die
Bioindikationsforschung versucht, geeignete Frühindikatoren, die noch vor visuellen Schadsymptomen auf
der Ebene des Stresses eine latente Erkrankung bzw. Schädigung anzeigen, in einen quantifizierbaren,
möglichst universellen physiologischen Schadindex (pSI) umzusetzen. Eine beginnende Erkrankung
wird so frühzeitig erkannt und der weitere Schadensverlauf kann überwacht werden. Dies ermöglicht
die rechtzeitige Einleitung und Kontrolle von Gegenmaßnahmen. Voraussetzung für die Eignung eines
Parameters als physiologischer Frühindikator muß die praktikable, methodisch einfache, nicht zeitaufwendige,
kostengünstige und ubiquitäre Anwendbarkeit sein. Kriterien, die von der hier vorgestellten
Chlorophyllfluoreszenz-Meßtechnik erfüllt werden. Zahlreiche Fluoreszenzparameter weisen eine signifikante,
lineare Korrelation mit dem Schädigungsgrad auf. Sie reagieren bereits auf der phänotypisch schwer
erkennbaren Ebene der Stressreaktionen.
8.1.2 Untersuchungen zum Stickstoff-Assimilationspotential bei Buche in Abhängigkeit von der
Stickstoff-Zufuhr und bei Eiche unter der Einwirkung von Ozon, Kohlendioxid und Trockenstreß
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Christoph Engel
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Hauptsächlicher Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit war das N-Assimilationspotential von
Buche und Eiche. Dazu wurde die Aktivität der Enzyme Nitratreduktase (in vivo), Nitritreduktase und
Glutaminsynthetase, letztere z.T. isoenzymspezifisch, bestimmt. Zusätzliche Meßparameter waren der
Gehalt löslicher Proteine, die NO − 3 - und NH+ 4 -Aufnahmerate sowie der Gehalt an NH+ 4 .
Zunächst wurde eine Charakterisierung der Meßgrößen vorgenommen. Dies diente zur Optimierung der
Nachweisbedingungen und zur näheren Bestimmung der Aussagefähigkeit der Meßwerte. So konnte
beim Eichenblatt die Abhängigkeit einer maximalen Glutaminsynthetaseaktivität (GSA) von einem SH-
Gruppenschutz (DTE oder DTT), einem löslichen Phenolabsorbens (PVP) und einem effektiven Gewebsaufschluß
(Microdismembrator) festgestellt werden. Die GSA-Ausbeute beträgt bei einmaliger Extraktion
aus Buchenblatt und -wurzel und aus Eichenblatt mindestens 89 %. Die Nitritreduktaseaktivitäts-Ausbeute
beträgt bei einmaliger Extraktion aus Eichenblatt ca. 85 %. Die GSA-Fraktionen, die mittels Ionenaustauschchromatographie
mit einer Ausbeute von 85 - 116 % gewonnen werden konnten, unterscheiden
sich bei Buchen- und Eichenblatt bezüglich der pH-Abhängigkeit. Bei der Eiche wurde auch der KM für
Glutamat bei beiden GSA-Fraktionen über Hanes-Diagramme ermittelt: Die Fraktionen scheinen sich auch
hierin zu unterscheiden. Anhand dieser Eigenschaften wurde eine Zuordnung der GSA-Fraktionen zu den
Isoformen GS1 und GS2 vorgenommen. In der Buchenwurzel kommt möglicherweise keine GS2 vor. Die in
vivo-NRA des Eichenblattes unterliegt starken circadianen Schwankungen.
Anhand eines Versuches mit isolierten Buchenblättern wurde ein Anstieg der in vivo-NRA mit zunehmender
NO − 3 -Zufuhr gefunden. Dies spricht für die Fähigkeit des Buchenblattes zur Reduktion größerer NO− 3 -
Mengen und gegen die Vorstellung, daß eine Dominanz der Wurzel bei der NO3–Reduktion bei vielen
Gehölzarten durch die Unfähigkeit des Sprosses zu diesem Prozeß bedingt ist.
Bei Buchensämlingen sollten die Auswirkungen der N-Qualität bezüglich des NO − 3 - bzw. NH+ 4
die N-Aufnahmerate und das NH + 4 -Assimilationspotential festgestellt werden. Die Untersuchung des NH+ 4 -
Assimilationspotentials anhand der GS-Aktivität, des Gehaltes löslicher Proteine und des NH + 4 -Gehaltes im
-Anteils auf
Stammgewebe sollte dabei die verfügbaren Literaturbefunde zu N-Aufnahmeraten und Wachstum ergänzen.
Es konnte gezeigt werden, daß bei einem N-Angebot mit hohem NH + 4 -Anteil gegenüber reiner NO− 3 -Zufuhr
neben der N-Aufnahmerate die GSA ansteigt, was mit einer Zunahme an löslichem Protein verbunden
ist. Auch unter veränderten Kulturbedingungen bleibt der Anstieg der drei Parameter erhalten. Allerdings
42

ändert sich bezüglich der GSA und des Proteingehaltes der Ort der deutlichsten Zunahme in der Pflanze.
Die Abweichungen könnten mit einem veränderlichen relativen Beitrag von Wurzel und Sproß zur NH + 4 -
Assimilation in Verbindung stehen. So ist der NH + 4 -Gehalt im Stamm bei der NH+ 4 -dominierten N-Zufuhr
dann erhöht, wenn anhand der Kulturbedingungen eine eingeschränkte NH + 4 -Assimilation in der Wurzel
angenommen werden kann.
Für die Eiche sollten grundlegende Untersuchungen zum N-Assimilationspotential im Blatt unter der Einwirkung
von O3, CO2 und Trockenstreß vorgenommen werden. Der in einem größeren als hier dargestellten
Rahmen durchgeführte Versuch sollte eine zukünftig mögliche Umweltsituation simulieren; gleichzeitig wurden
die Wirkungen aller möglichen Zweierkombinationen der drei Faktoren sowie die Einzelfaktoreinflüsse
untersucht. Anhand bekannter, in Beziehung zur N-Assimilation stehender Stoffwechselbeeinflussungen
durch diese Faktoren war am ehesten mit einem Rückgang der Meßparameter zu rechnen. Mittels Nachweis
der Einzelaktivitäten der wahrscheinlichen GS-Isoenzyme - GS1 und GS2 - unter CO2-Einfluß sollte
eine differenzielle Regulation dieser Isoenzyme aufgedeckt werden. Diese schien anhand von Literaturbefunden
zur Funktion der beiden Formen möglich. Wie erwartet sinken NiR-Aktivität, GS-Aktivität und der
Gehalt löslicher Proteine bezogen auf FG unter dem Einfluß vermehrter O3- und / oder CO2-Zufuhr ab.
CO2 verursacht bezüglich der GS-Isoenzyme lediglich bei der GS2 einen Aktivitätsrückgang, während die
GS1-Aktivität nicht signifikant beeinflußt wird. Dieser Befund steht im Einklang mit jenem von Ramazanov
& Cardenas (1994) und unterstreicht die Bedeutung der GS2 bei der Reassimilation von photorespirato-
rischem NH + 4
. Der Trockenstreß wirkt sich lediglich auf die spezifische NiR-Aktivität negativ aus. Bei
Doppelbegasung Mit O3 und CO2 wird keine Wechselwirkung bezüglich der Beeinflussung der Meßgrößen
beobachtet. Die in vivo gemessene NR-Aktivität steigt bei den begasten Bäumen an und verhält sich damit
gegensätzlich zu den anderen Meßparametem. Als Erklärung kommt eine Abhängigkeit der Aktivität vom
Gewebsgehalt an glykolysierbaren Kohlehydraten in Betracht, welcher bei den begasten Pflanzen erhöht
sein könnte.
8.1.3 Die Douglasienerkrankung - eine manganinduzierte Nährstoffstörung? Untersuchungen
unter besonderer Berücksichtigung des Eisenhaushaltes
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Andrea Kaus-Thiel
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Ziel der Arbeit war es mittels diverser biochemischer und anatomischer Untersuchungen an Douglasien
unterschiedlichen Schädigungsgrades die Hypothese des durch Manganüberschuß induzierten
Nährstoffmangels, unter besonderer Berücksichtigung des Eisenhaushaltes, zu überprüfen und Indizien zur
Verifizierung bzw. Falsifizierung zu erfassen und darzulegen.
Das Probenmaterial umfaßte Douglasien eines Bestandes, der die charakteristischen Symptome der Erkrankung,
in Form von Nadelverfärbungen, Kronenverlichtung, Harzfluß und Wuchsanomalien, aufweist. Als
Vergleichskulturen wurden Douglasien eines ungeschädigten Bestandes und eines Standortes mit kalkbedingter
Eisenmangelchlorose herangezogen. In Hydrokulturen angezogene Douglasiensämlinge, die unterschiedlichen
Mangankonzentrationen in der Nährlösung ausgesetzt waren, dienten gleichfalls als Probenmaterial.
Die beprobten Varianten des geschädigten Bestandes wiesen extrem hohe, im toxischen Bereich liegende
Mangangehalte auf, wobei auch die Werte der okular ungeschädigten Variante dieses Bestandes deutlich
über der Mangankonzentration der Referenzbäume lagen. Die natürliche Akkumulation des Mangans mit
zunehmendem Nadelalter war in allen Varianten zu beobachten. Das Erntejahr 1996 wies im Vergleich
zum Vorjahr eine leichte Abnahme der Manganspiegelwerte auf. Die Negativreferenz spielt hinsichtlich der
Mangangehalte keine Rolle.
Der Eisenhaushalt war im Zusammenhang mit manganinduzierten Nährstoffstörungen von besonderem
43

Interesse, da die betroffenen Douglasien in ihren jüngsten Nadeln eine Symptomatik ähnlich einer auf
Kalkstandorten zu beobachtende Eisenmangelchlorose aufwiesen. Im vorliegenden Fall schien die Aufnahme
des Eisens nur marginal beeinträchtigt zu sein, Obwohl die okular schadfreien Bäume deutlich
höhere Werte verzeichneten, lag der Gesamteisengehalt der symptomtragenden Douglasien auch nach
dem Absinken der Werte im Erntejahr 1996 noch nicht im Mangelbereich. Mit Ausnahme des Magnesium,
das in den geschädigten Varianten deutlich niedrigere Nadelspiegelwerte zeigte, welche jedoch im
ausreichenden Versorgungsbereich lagen, wiesen die übrigen gemessenen Nährelemente keine auffälligen,
schädigungsabhängigen Beeinträchtigungen auf
Die okular schadfreien Douglasien zeigten im Vergleich zu den symptomtragenden Douglasien einen deutlich
höheren Anteil an löslichem und, noch ausgeprägter, an dreiwertigern Eisen, während eine Differenzierung
-Gehaltes in geschädigt und ungeschädigt nicht vorgenommen werden konnte.
der Varianten anhand des Fe + 2
Die Beeinträchtigung des Eisenhaushaltes äußert sich demnach nicht, wie bislang in der Literatur diskutiert,
im Fe + 2 -Gehalt sondern in der Beeinflussung des Fe+ 3 -Gehaltes.
Als weiteres Indiz für einen physiologischen Eisenmangel konnten die Ergebnisse der Chlorophyllanalyse
bewertet werden. Da die Synthese des Chlorophylls stark eisenabhängig ist, lassen sich Unregelmäßigkeiten
des Eisenhaushaltes im Chlorophyllgehalt nachweisen. Dabei war ein Absinken der Gehalte mit steigendem
Schädigungsgrad zu beobachten.
Die Ergebnisse einer Korrelationsanalyse von Chlorophyll-, Eisen- und Mangangehalt sprechen für einen
induzierten physiologischen Eisenmangel im ersten Nadeljahrgang und direkte toxische Auswirkungen von
extremen Mangankonzentrationen in den älteren Nadeljahrgängen.
Da ca. 80 % des pflanzlichen Eisens in den Chloroplasten lokalisiert ist und sich ein Eisenmangel direkt in
deren Struktur widerspiegelt, lag es nahe, die feinstrukturellen Verhältnisse der unterschiedlich geschädigten
Douglasien vergleichend zu untersuchen und die Ergebnisse zur Detektierung eines physiologischen Eisenmangels
heranzuziehen.
In den symptomtragenden Douglasien ließ sich im Vergleich zur Referenzvariante ein erheblich reduziertes,
stark aufgelockertes Thylakoidsystem nahezu ohne Granastapel erkennen. Die als ” Negativreferenz“
ausgewählten Douglasien des Kalkstandortes zeigten vergleichbare Verhältnisse im Membransystem des
Chloroplasten.
Sowohl Chlorophyllgehalt als auch der ultrastrukturelle Zustand der Chloroplasten lieferten aufgrund ihres
hohen Eisenbedarfs sichere Hinweise zur Identifizierung eines, im vorliegenden Fall manganinduzierten,
physiologischen Eisenmangels.
8.1.4 Untersuchung des Stickstoff-Stoffwechsels an Fichten (Picea abies), Buchen (Fagus sylvatica)
und Eichen (Quercus petraea) im Zusammenhang mit dem Auftreten Neuartiger
Waldschäden
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Roman Kleiner
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
In Übereinstimmung haben viele Ergebnisse aus der Waldschadensforschung gezeigt, daß das Erscheinungsbild
der neuartigen Waldschäden multikausalen Ursprungs ist (edaphische, klimatische und anthropogene
Faktoren). Als eine für das Auftreten der Komplexkrankheit verantwortliche Hauptursache wird heute
die anthropogen bedingte Luftverunreinigung angesehen. In der vorliegenden Arbeit steht die Schädigung
durch überhöhte Stickstoffeinträge im Mittelpunkt der Überlegungen. Im Laufe der Evolution war Stickstoff
ein begrenzender Wachstumsfaktor für Waldökosysteme, weshalb ein starker Selektionsdruck in Richtung
Recycling und Einsparung herrschte.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es u. a., physiologisch-biochemische Testmethoden zu entwickeln, die es
44

in Reihenuntersuchungen erlauben, Umstellungen im N-Stoffwechsel zu erfassen. Im methodischen Teil
wurden Parameter und Bestimmungsmethoden gesucht, die diese veränderten Stoffwechselbedingungen
sicher anzeigen (Nitratreduktase, Nitritreduktase, Glutaminsynthetase, Glutamatdehydrogenase, Protein-,
Nitrat- und Ammoniumgehalt der Blattorgane). Desweiteren wurden geeignete Testmethoden jeweils so
verändert, daß die Testbedingungen für die Bestimmung aus Nadel- und Blattextrakten (Buchen, Eichen
und Fichten) optimal waren.
Ein praktikabler GDH-Test, der für Reihenmessungen geeignet ist, konnte etabliert werden. Der Test wurde
so verbessert, daß gleichzeitig 12 Extrakte mit je drei Wiederholungsmessungen untersucht werden konnten.
Dies verkürzte die Meßzeit am Photometer von 10 Minuten für eine Messung (ein Extrakt; drei Replikate)
auf 5 Minuten für 12 Extrakte (inklusive dreier Wiederholungsmessungen).
Im zweiten Teil der Arbeit wurden Reihenuntersuchungen angestellt, wobei verschiedenen Projekten unterschiedliche
Fragestellungen zugrunde lagen. Die Untersuchungen sollten dazu beitragen, gesicherte
Erkenntnisse der biochemischen Schadanalyse, welche durch langjährige Erfahrung in Fichtenversuchen
gesammelt wurden, auf Laubbäume zu übertragen. Weiter dienten die Untersuchungen dazu, weitgehend
unerforschte stoffwechsel-physiologische Prozesse von Bäumen besser zu verstehen.
Am Standort Freudenstadt (Picea abies) wurde ein Fichtenkollektiv mit Symptomen der montanen Vergilbung
mit einem direkt benachbarten, gesunden verglichen. Der geschädigte Bestand zeigt die Tendenz zu
geringerer GS-Aktivität. Auch der Gehalt löslicher Proteine ist reduziert. Zusammen mit anderen Untersuchungsparametern,
die degenerative Prozesse aufzeigen, kann eine starke Reduktion des N-Metabolismus
vermutet werden, der durch massive Schädigung bedingt ist.
Auch beim Kompensationskalkungsversuch Leisel (Picea abies) eignet sich die GS-Aktivität als Indikator des
N-Metabolismus. Dieser zeigt sich sowohl von der Kalkung, als auch von der Schädigung beeinflußt. Die
GS-Aktivität ist in beiden Fällen erhöht. Im Gegensatz zu Freudenstadt zeigen sich bei den geschädigten
Fichten keine degenerativen Veränderungen; die gesteigerte GS-Aktivität wird hier als Indiz für intensivierte,
stressbeantwortende Reaktionen gewertet. Der Proteingehalt zeigt klimatisch bedingte Unterschiede.
Wie bei den Fichten in Leisel zeigt sich die Eichen-GS in Merzalben (Quercus petraea) von der Kalkungsmaßnahme
beeinflußt. Die Steigerung der Enzymaktivität wird hier als Folge gesteigerter, durch die Kalkung
verursachter, Nitratfreisetzung interpretiert. Die GDH kann als Indikator unspezifischer Streßeinwirkung
angesehen werden. Die oxidative Desaminierung scheint dabei im Vordergrund zu stehen.
Untersuchungen am Buchenwaldökosystem (Fagus sylvatica) in Zierenberg, welches sich in der Phase
beginnender Humusdesintegration befindet, zeigen die Schwierigkeiten auf, die bei der visuellen Schadansprache
von Laubbäumen auftreten. Der relative Blattverlust und der Fruktifikationsgrad scheinen nicht
unbedingt mit der Vitalität der Buchen kongruent zu sein. Die GDH-Aktivität kann auch hier als Indikator
einer Streßmanifestation herangezogen werden, die GS als Intensitätsanzeiger des N-Metabolismus. Die
Ergebnisse in Abhängigkeit vom Nitratgehalt im Boden und vom Blattverlust lassen auf unterschiedliche
Wasserversorgung auf den Teilstandorten schließen. Die GDH-Aktivität ist auf der vermutlich weniger
gut stickstoffversorgten Teilfläche gesteigert, die GS reduziert. Noch scheint das überdurchschnittliche N-
Angebot in Zierenberg, aufgrund der optimalen Bodenbedingungen, eine Vitalitätssteigerung zu bewirken.
Ob sich diese über längere Sicht negativ auswirkt, kann nicht ausgeschlossen werden.
8.1.5 Kausalanalyse und Bioindikation der Neuartigen Waldschäden anhand des Polyamin- sowie
des des Phenolstatus am Beispiel von Picea abies (Fichte), Abies alba (Weißtanne) und
Quercus petraea (Eiche): - Okulare Bonitur versus Bioindikation?
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Claudia Kurz
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Diese Arbeit befaßte sich mit einem Teilaspekt eines Forschungsprojektes, das in Zusammenarbeit mit dem
45

Kernforschungszentrum Karlsruhe im Zeitraum zwischen 1993 und 1995 an zehn Fichten (Picea abies) und
zwei Weißtannenstandorten (Abies alba) unterschiedlichsten Schädigungsgrades in Baden-Württemberg
durchgeführt wurde. Im Rahmen der Arbeit sollte durch Analyse der Phenol- sowie Polyamingehalte untersucht
werden, ob sich anhand dieser Aussagen über den Schädigungsgrad sowie über dessen Verlauf treffen
lassen. Weiterhin sollte der Frage nachgegangen werden, inwieweit sich Übereinstimmungen zwischen den
durch die okulare Bonitur erhobenen Bewertungen und den Ergebnissen der Bioindikation ergeben.
Die Messung der Phenole sowie Polyamine erfolgte mittels geeigneter HPLC-Verfahren und anschließender
Detektion. Bei der Fichte wurden die phenolischen Komponenten Picein, U1, Catechin, Epicatechin, PHAP,
PTG sowie die unbekannte Komponente U2, die später als Coniferin identifiziert werden konnte, untersucht.
Bei der Tanne waren es die Komponenten Gallussäure, Catechin, sowie zwei weitere bisher noch unbekannte
Substanzen TI und T2.
Die bereits früher geäußerte Vermutung, daß es sich bei der Substanz U2 um ein Glykosid handelt, konnte
durch weitere Untersuchungen bestätigt werden. Die Analyse der UV-Spektren in Verbindung mit dem
Massen- sowie NMR-Spektrum ermöglichte es, diese Substanz mit ziemlicher Sicherheit als Coniferin zu
identifizieren.
Für die Substanzen Catechin sowie Picein konnte für die Baumart Fichte ein korrelativer Zusammenhang
zwischen diesen Substanzen und dem mittels der okularen Bonitur ermittelten Schädigungsgrad nachgewiesen
werden. Desweiteren ließ sich diese Korrelation zwischen dem Schädigungsgrad des Baumes und
den Phenolgehalten in den nachfolgenden Jahren weiterverfolgen. Bei der Baumart Fichte zeigte sich
ein ähnliches Verhalten für die Catechingehalte, die auch hier mit den Parametern Nadelverlust- beziehungsweise
Nadelvergilbungsrate korrelierten. Auch hier ließ sich dieser Trend für die nachfolgenden Jahre
bestätigen.
In einem separaten Experiment sollte der Frage nachgegangen werden, ob die am Standort Baden-
Württemberg mit zunehmender Höhenlage ansteigenden Catechingehalte auf eine Zunahme der UV-B-
Strahlung zurückgeführt werden können. Zwar ließ sich kein signifikanter korrelativer Zusammenhang
zwischen den Catechingehalten und dem Grad der UV-B-Strahlung nachweisen, allerdings zeigten die Ergebnisse
einen Trend zwischen dem Grad der UV-B-Strahlung und den Catechinkonzentrationen, so daß
unter Berücksichtigung der kurzen Versuchsdauer sowie der Witterungsbedingungen ein möglicher Zusammenhang
gegeben ist. Dies läßt es möglich erscheinen, die am Standort Baden-Württemberg mit der
Höhenlage zunehmenden Catechingehalte auf einen UV-Effekt zurückzuführen.
Von den Polyaminen wurden die Komponenten Putrescin und Catechin für Tannen und Fichten ermittelt.
Die Auswertung der Fichten- und Tannenproben erbrachte auch hier einen korrelativen Zusammenhang
zwischen den Parametern Nadel- beziehungsweise Blattverlust und den Polyanungehalten. Dieser war für
das Spermidin nicht in allen Jahren signifikant.
In einem ergänzenden Experiment wurden auch noch die Polyamingehalte von Eichen, die unter erhöhten
CO2- sowie Ozonkonzentrationen angezogen wurden, untersucht. Bei den Eichen konnte noch zusätzlich
das Tetraamin Spermin als weitere Polyaminkomponente nachgewiesen werden.
Bei den Eichenproben führte eine alleinige Erhöhung der Ozonkonzentration zu keinen signifikanten Effekten.
Erst eine Kombinationsbelastung mit erhöhten Ozonkonzentrationen und einer gleichzeitigen Belastung
unter temporärem Trockenstreß hatte einen Anstieg der Putrescinkonzentrationen zur Folge.
Abschließend läßt sich feststellen, daß für die Baumarten Picea abies und Abies alba die Eignung der
Parameter Catechin, Picein, sowie Putrescin als Indikatoren im Rahmen der Bloindikation nachgewiesen
werden konnte. Als weiteres Ergebnis der Untersuchungen konnte für die oben genannten Baumarten eine
signifikante Korrelation zwischen den Parametern Nadelverlust beziehungsweise Nadelvergilbung und dem
Gehalt der oben genannten bioindikatorischen Substanzen erwiesen werden.
46

8.1.6 Untersuchungen zum Gehalt an Ascorbat, α-Tocopherol, Polyaminen und Mineralien in
Fichtennadeln von 46 Freilandstandorten in der BRD. Bioindikation im Zusammenhang
mit den ” Neuartigen Waldschäden“
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Ulrike Lauchert
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden in den Jahren 1991 und 1992 an 46 verschiedenen Fichtenstandorten
in Rheinland-Pfalz, Nordrhein-Westfalen, Thüringen, Sachsen und Sachsen-Anhalt Fichtennadeln des
zweiten Nadeljahrgangs geerntet und auf ihren Gehalt an den Antioxidantien Ascorbat und α-Tocopherol
untersucht. Des weiteren wurde die Konzentration der Polyamine Putrescin, Spermidin und Spermin sowie
die Gehalte an Mineralstoffen analysiert. Als Bezugsgrößen wurden das Frisch- zu Trockengewicht, der
Chlorophyllgehalt und ein okularer Nadelindex ermittelt.
Zur Bestimmung des α-Tocopherolgehaltes in Fichtennadeln wurde eine neue Methode mit methanolischer
Extraktion und anschließender HPLC-Analyse mit fluorometrischer Detektion etabliert, die einfach und
schnell durchzuführen ist und dennoch selektiv und sensitiv das α-Tocopherol erfaßt.
Um diurnale Konzentrationsveränderungen zu belegen, wurden am Standort Freudenstadt Tagesgangmessungen
von Ascorbat, α-Tocopherol und den Polyaminen im Paarvergleich an je einer geschädigten und
einer ungeschädigten Fichte durchgeführt. Es konnte sowohl für die Vitamine C und E als auch für das
Putrescin über den ganzen Tagesverlauf ein erhöhter Level der untersuchten Parameter im geschädigten
Baum nachgewiesen werden.
Die an den 46 Freilandstandorten gewonnenen Daten wurden ausführlich dargestellt und auf Zusammenhänge
der einzelnen biochemischen Parameter untereinander und mit der Standortsituation untersucht
und diskutiert.
Es konnten signifikante positive Korrelationen der jeweiligen Nadelspiegelwerte zwischen den Mineralien
Kalzium, Magnesium und Zink sowie zwischen den Elementen Eisen und Aluminium festgestellt werden.
Des weiteren korreliert Magnesium negativ mit Ascorbat, und Kalium korreliert negativ mit dem Putrescingehalt.
Die in der Literatur oft beschriebene Akkumulation von Putrescin in Pflanzen, die unter Kaliummangelbedingungen
(im Boden bzw. in der Nährlösung) gedeihen, konnte hier erstmals anhand der
Kaliumnadelspiegelwerte bei Fichten, die an unterschiedlichen Standorten wachsen, bestätigt werden. Und
zwar zeigte sich, daß Fichten mit hoher Kaliumversorgung geringe Putrescinkonzentrationen aufweisen,
während in den Nadeln mit hohen Putrescinwerten vergleichsweise wenig Kalium nachgewiesen werden
konnte, ohne daß ein ausgesprochener Kaliummangel vorlag.
Die Analysenergebnisse der einzelnen Standorte wurden anschließend multivariat mittels einer Faktoranalyse
ausgewertet. Offenbar wird die Gesamtvarianz von mehreren Faktoren bestimmt, wobei die Parameter
Ascorbat, α-Tocopherol und Putrescin jeweils unterschiedlichen Faktoren zugewiesen wurden, was dafür
spricht, daß sie unterschiedlichen Einflüssen unterliegen. Die für die einzelnen Fichtenstandorte errechneten
Faktorwerte wurden graphisch im zweidimensionalen Koordinatensystem dargestellt und bezüglich der zeitlichen
Verschiebungen (1991 nach l992) betrachtet. Es zeigte sich, daß die Veränderungen zwischen den
beiden Erntejahren in den verschiedenen Erntegebieten zum Teil unterschiedliche dominierende Richtungen
aufweisen, was für einen unterschiedlichen Einfluß von Umweltfaktoren spricht.
Die anschließende Betrachtung der Zusammenhänge zwischen den biochemischen Parametern und der Luftschadstoffbelastung
ergab trotz unvollständiger Immissionsdaten Hinweise auf ein gegensinniges Verhalten
der untersuchten Antioxidantien: Der Ascorbatgehalt korreliert positiv mit dem Ozon und dem Stickstoffdioxid,
während die α-Tocopherolmenge mit zunehmenden Konzentrationen dieser Schadgase absinkt.
Umgekehrt zeigt Ascorbat eine negative Korrelation mit dem Schwefelgehalt der Nadeln, der die Schwefeldioxidbelastung
gut repräsentiert, während das Vitamin E bei steigender Schwefeldioxidkonzentration
(bzw. steigendem Schwefelgehalt der Nadeln) erhöht ist. Diese gegensätzliche Reaktion der Antioxidan-
47

tien auf unterschiedliche Luftschadstoffe wird besonders deutlich, wenn der Quotient aus Ascorbat und
α-Tocopherol gebildet wird. Somit ist die Bestimmung des Verhältnisses von Ascorbat zu α-Tocopherol in
Fichtennadeln vielversprechend hinsichtlich einer Differentialdiagnose zwischen den genannten Schadgasen.
Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die ermittelten Zusammenhänge zwischen Putrescin und Kalium,
sowie zwischen den Antioxidantien und der Schadstoffbelastung in älteren Bäumen (> 60 Jahre) und an
höhergelegenen Standorten (> 600 m ü.NN) besonders ausgeprägt sind.
8.1.7 Planung und Aufbau computergesteuerter Expositionskammern zur Umweltsimulation für
Pflanzen
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Dieter Peuser
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Durch die anthropogen veränderte Zusammensetzung der Atmosphäre ist in den kommenden Jahrzehnten
mit einer Klimaveränderung zu rechnen, die drastische Auswirkungen auf die Vitalität und Zusammensetzung
von Ökosystemen haben wird. Insbesondere steigende Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre
und ein möglicherweise verändertes Niederschlagsmuster sind dabei von Bedeutung. Vor dem Hintergrund,
daß Langzeitstudien zur Erforschung der Akklimation von Pflanzen immer wichtiger werden, wurde am Institut
für Allgemeine Botanik beschlossen, eine Expositionskammeranlage zur Umweltsimulation für Pflanzen
zu entwickeln.
Zur Durchführung des oben genannten Projektes waren umfangreiche Vorarbeiten notwendig, die vor allem
in der Planung des Aufbaus der Expositionskammern, der Auswahl, Beauftragung und Koordination der
beteiligten Firmen sowie in der Beschaffung der notwendigen Geld- und Sachmittel lagen. Hinzu kamen
die erforderliche Sanierung und der Umbau des Gewächshauses zur Aufnahme der Klimakammern. Parallel
dazu erfolgte die Ausarbeitung eines Konzeptes zur computergestützten Regelung der Versuchsanlage und
eine Erprobung einzelner Bauelemente an einem selbstkonstruierten Kammermodell im Maßstab 1 : 1. Bei
den oben genannten Aufgaben und beim Aufbau der elektronischen Regelungsanlage erforderte der Umfang
der Arbeiten eine intensive Zusammenarbeit mit den beauftragten Firmen und universitären Fachkräften.
Neben der wissenschaftlichen Betreuung verlangte das Projekt eine Einarbeitung in die technischen Bereiche
des Anlagenbaus.
Die nach unseren Bedürfnissen von einem Ingenieurbüro entworfene Wasseraufbereitungsanlage ermöglicht
nicht nur die Herstellung von Reinstwasser, sondern bietet auch die Möglichkeit der kontrollierten
Nährstoffgabe über eine Dosiereinrichtung. Darüber hinaus dient sie im Regelkreis der computergesteuerten
Bewässerung zur Erzeugung von definierten Bodensaugspannungen. Insgesamt besteht die Möglichkeit, Klimaelemente
wie Temperatur und Luftfeuchte gezielt zu kontrollieren, wie dies beispielsweise für Tagesgänge
erforderlich ist. Besondere Berücksichtigung fand das Belüftungs- und Luftverteilungssystem, mit dem
in den Kammern für natürliche Windgeschwindigkeiten bei gleichzeitiger homogener Verteilung der Luft
und der von ihr getragenen Klimaelemente gesorgt werden kann. Eine völlige Neuentwicklung stellt das
Beleuchtungssystem dar, dessen Abwärme über eine Warmluftabsauganlage entsorgt wird. Durch die besondere
Konstruktion der Leuchtfelder und der reflektierenden Wirkung der Absaughauben war es erstmals
möglich, mit Leuchtstofflampen Quantenflußdichten um 900 µE·m −1 ·s −1 (PAR) in Expositonskammern
zu erreichen. Mit der geschützten Eigenentwicklung (Gebrauchsmusterschutz) des CO2-Analysators zur
Regelung der CO2-Konzentration konnte eine funktionsfähige Alternative zu den sonst verwendeten, teuren
Meßgeräten (IRGA bzw. URAS) geschaffen werden.
Mit der computergestützten Regelung der Anlage in Verbindung mit der von uns konfigurierten Software
DIA/DAGOO konnte die Kontrolle und Handhabung der Expositionskammern vereinfacht werden. Diese
Regelung ermöglicht darüber hinaus, eingegebene lang- oder auch kurzfristige Klimaänderungen nachzufahren,
sofern sie mit der zur Verfügung stehenden Kammertechnik realisierbar sind.
48

8.1.8 Vergleichende Untersuchungen der Chlorophyllfluoreszenz bei Buchen (Fagus sylvatica),
Eichen (Quercus petraea) und Fichten (Picea abies) in Zusammenhang mit den Neuartigen
Waldschäden
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Ralph Scheuermann
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Seit Mitte der 70er Jahre werden in Mitteleuropa ausgedehnte Waldschäden an Nadel- und Laubbäumen
beobachtet. Vor etwa 10 Jahren wurde dann erstmalig in einer breiten Öffentlichkeit die Frage diskutiert,
warum der Wald in seiner derzeitigen Form erkrankt ist und welche gesellschaftlichen, ökologischen
und politischen Folgen daraus resultieren. Im Jahre 1991 gelten gemäß der bundesdeutschen Waldschadenserhebung
64 % aller Waldbäume als geschädigt. Es ist unumstritten, daß die Komplexkrankheit der
neuartigen Waldschäden auf eine Vielfalt von anthropogenen, edaphischen und klimatischen Stressoren
zurückzuführen ist. Hier sind ein eingeschränktes Nährstoffangebot, ein gestörtes Nährstoffgleichgewicht,
klimatische Faktoren wie Trockenheit, Frostereignisse oder hohe Lichtintensitäten und insbesondere anthropogen
verursachte Luftverunreinigungen aus Industrieanlagen, Verkehr, Haushalt und Landwirtschaft
zu nennen. Ein einheitliches Schadbild ist bisher auch nicht zu beobachten. Eine Belastung mit Schadstoffen
kann vor geraumer Zeit erfolgt sein, die phänotypische Erkrankung aber erst nach entsprechender
Vorlaufzeit sichtbar werden. Somit wäre eine biochemische Frühdiagnose von Vorteil, um bedrohte Standorte
rechtzeitig zu ermitteln und gegebenenfalls mit Meliorationsmaßnahmen einzugreifen. Um eine solche
Bioindikation zu erreichen, müssen vielfältige Stoffwechselparameter und -wege nach einer Schädigung hin
untersucht werden.
Mit der biophysikalischen Methode der Fluoreszenzlichtuntersuchung sollte geklärt werden, inwieweit diese
Methode geeignet ist, bei den untersuchten Waldbäumen eine Erkrankung anzuzeigen. Außerdem sollten
Hinweise auf den Ort der Schädigung im untersuchten Organismus erhalten werden. Ein Hauptaugenmerk
der vorliegenden Arbeit lag darin, die für Fichten bereits erfolgreich angewandte Methode noch zu verfeinern
und gleichzeitig den Transfer zur Indikation von Laubbäumen zu vollziehen.
So weisen die Ergebnisse von qN, Φe, Fv/Fm einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der okularen
Schadeinteilung seitens der Forstbehörden und dem biochemischen Zustand der Fichten auf.
Bei Fichten lassen sich, wie aufgrund der erhaltenen Ergebnisse gezeigt werden konnte, Schäden an der
Thylakoidmembran detektieren, welche auf ein Zusammenspiel klimatischer und edaphischer Faktoren mit
Luftschadstoffen zurückzuführen sind.
Aufgrund dieser Befunde ist die Chlorophyllfluoreszenz geeignet, als Bioindikator bei Fichten mit dem
Schadbild der montanen Vergilbung zu dienen. Bereits in einem frühen Stadium der Erkrankung, wo mit
okularen Methoden noch kein Schadbild feststellbar ist, ist mit der biophysikalischen Methode der Chlorophyllfluoreszenz
bereits eine Schädigung nachweisbar. So war am Standort Leisel nur bei den Ergebnissen
der Chlorophyllfluoreszenz und dem Enzym PEPC eine Korrelation zur Schadstufe zu finden.
Bei der Untersuchung von Laubbäumen liegt eine grundsätzlich andere Situation vor. Eine Klassifizierung
in Schadklassen ist aufgrund des noch unbekannten Einflusses von endogenen Faktoren, wie z.B. der Fruktifikation,
auf den visuellen Zustand eines Laubbaums, sehr schwierig und wird sehr kontrovers diskutiert.
Die Auswirkung von anthropogenen, klimatischen und edaphischen Faktoren läßt sich daher nur sehr schwer
nachweisen. Auch mit Hilfe der Chlorophyllfluoreszenz ist, wie bei den Laubbaumstandorten Zierenberg
und Merzalben gezeigt werden konnte, keine Korrelation bezüglich der okularen Schadeinteilung zu finden.
Lediglich die Jahresgänge von qN und Φe deuten, unabhängig von der morphologischen Eingruppierung,
eine Anpassung an die gegebenen Umwelteinflüße an.
Eine weitere Möglichkeit, weshalb eine Schädigung bei Laubbäumen schwierig zu detektieren sein könnte,
liegt im Faktor Zeit. Die Expositionszeit eines Laubblattes mit Schadgasen und anderen Stressoren könnte
möglicherweise zu kurz sein, um eindeutige Schadsymptome zu zeigen.
49

8.1.9 Untersuchungen über die Ursachen des ” Eichensterbens“ an drei Stieleichenbeständen
(Quercus robur L.) im Westerwald
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Andreas Simon
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Nach dem heutigen Kenntnisstand handelt es sich beim Eichensterben um eine multifaktoriell bedingte
Krankheit, die nicht auf einen einzelnen Schadfaktor zurückzuführen ist. Als mögliche Schadfaktoren kommen
klimatische, biotische, anthropogene und standortbedingte Einflüsse in Frage. Ziel der vorliegenden
Arbeit war es, die Rolle der diskutierten Schadfaktoren bzw. deren Zusammenwirkung zu untersuchen.
Dazu wurden drei Eichenbestände im Westerwald ausgewählt, in denen es in den letzten Jahren zu einem
gehäuften Absterben von Eichen gekommen ist. In diesen Beständen wurden biochemische, bodenkundliche,
dendrochronologische, mykologische md mikroskopische Untersuchungen durchgeführt. Die Untersuchungen
erstreckten sich über einen Zeitraum von zwei Vegetationsperioden, die okularen Schadansprachen
wurden drei Jahre durchgeführt.
Aufgrund der Ergebnisse der okularen Schadansprachen läßt sich in den Beständen von 1994 bis 1996 eine
gewisse Erholungstendenz erkennen. Der durchschnittliche Blattverlust lag 1996 in allen drei Beständen
unter 30 %. Die okularen Schadansprachen weisen weiterhin auf ein gutes Regenerationsvermögen der
Eichen hin, da fast alle Bäume den Insektenfraß im Frühjahr 1996 bis zum Sommer nahezu vollständig
kompensieren konnten.
Die dendrochronologischen Untersuchungen gaben keinerlei Hinweise auf eine Beteiligung von klimatischen
Faktoren an der Eichenerkrankung in den untersuchten Beständen. Dagegen zeigten die Jahrringanalysen
bei den abgestorbenen Bäumen bereits Jahre vor dem Absterbezeitpunkt deutliche Zuwachseinbrüche im
Dickenwachstum. Der Zeitpunkt, an dem die Zuwachseinbrüche begannen, war bei allen abgestorbenen
Bäumen unterschiedlich, so daß ein gemeinsamer Auslöser der Zuwachsdepression nicht zu erkennen war.
Daneben waren die stark geschädigten und zum Untersuchungszeitpunkt abgestorbenen Bäume nicht mehr
in der Lage, die günstigen Wachstumsbedingungen zu Beginn der neunziger Jahre zu nutzen.
Die Bodenanalysen zeigen, daß die Bestände nicht auf Risikostandorten stocken. In allen drei Beständen
ist keine übermäßige Bodenversauerung zu erkennen, die Basensättigung liegt in allen drei Beständen fast
immer über 10 %. Lediglich der Bestand 17b zeigt eine etwas stärkere Tendenz zur Versauerung mit einer
Basensättigung teilweise unter 10 %. Auch eine Belastung des Bodens durch hohe Schwermetallgehalte
konnte nicht festgestellt werden.
Alle drei Bestände zeigen in beiden Untersuchungsjahren schwache bis mangelhafte Magnesiumversorgung.
Eine Düngung im Jahr vor Beginn der Untersuchungen hat bis jetzt keine deutliche Wirkung gezeigt.
Die schwache Magnesiumversorgung konnte bei allen Eichen, unabhängig von ihrem Schädigungsgrad,
diagnostiziert werden. Bei allen anderen Elementen ist die Nährstoffversorgung als gut bis sehr gut zu
bezeichnen. Bei den meisten Elementen waren die Gehalte in der Schadklasse C niedriger als bei den
Eichen mit einem geringeren Blattverlust. Allerdings lagen auch die Elementgehalte in der Schadklasse C
mit Ausnahme von Magnesium nie im Mangelbereich. Die niedrigeren Gehalte in der Schadklasse C scheinen
eher Folge denn Ursache der Erkrankung zu sein. Die Stickstoffversorgung der Blätter ist als optimal zu
bezeichnen. Es läßt sich keine Überversorgung oder Mangelsituation feststellen. Die im Zusammenhang
mit dem Eichensterben oft erwähnten hohen Stickstoffgehalte spielen in den untersuchten Beständen keine
Rolle.
Die Mineralstoffanalysen der Rindenproben lassen keine Kontaminationen der Bäume mit Schadstoffen
durch Deposition auf der Rinde erkennen.
Die Analysen der Phenolgehalte zeigten keine klaren Unterschiede zwischen geschädigten und nicht
geschädigten Bäumen. Allerdings zeigten die stark geschädigten Bäume in beiden Untersuchungsjahren
die niedrigsten Phenolgehalte in der Borke. Eine stärkere Gefährdung der geschädigten Eichen durch einen
50

geringeren Gehalt an Abwehrsubstanzen im Bast gegen biotische Faktoren war dagegen nicht zu erkennen.
Die Chlorophyllgehalte waren in den stark geschädigten Bäumen in beiden Untersuchungsjahren niedriger
als bei weniger stark geschädigten Bäumen. Allerdings war auch bei diesen Eichen keine Chlorophyllmangelsituation
auszumachen. Die schwachen Magnesiumgehalte haben sich nicht negativ auf die Chlorophyllgehalte
ausgewirkt.
Ein starker Befall mit biotischen Schädlingen konnte, mit Ausnahme der blattfressenden Insekten im
Frühjahr, nicht diagnostiziert werden. Genaue Aussagen zur Bedeutung von Agrilus biguttatus und Befall
durch Armillaria-Arten sind nicht möglich, weil dazu zu wenige Bäume untersucht wurden. Die durchgeführten
Untersuchungen deuten auf eine geringe Beteiligung von Hallimasch und eine deutlich stärkere
Beteiligung von Agrilus am Absterbeprozeß hin. Die aus dem Holz isolierten Pilze scheinen sämtlich einen
sekundären Charakter zu haben, d.h. sie dürften lediglich schadverstärkende Wirkung haben.
In den untersuchten Beständen traten im Untersuchungszeitraum als Schadfaktoren Kahlfraß durch Insekten
mit anschließendem Mehltaubefall, Magnesiummangel und Befall mit dem Eichenprachtkäfer Agrilus
biguttatus auf Ein deutlicher Zusammenhang dieser Faktoren untereinander oder in Bezug auf den Gesundheitszustand
der Eichen war jedoch nicht zu erkennen. Ein Einfluß klimatischer oder standortbedingter
Faktoren erscheint unwahrscheinlich. Insgesamt lassen die Untersuchungen keine klaren Ursachen für die
Erkrankung einiger Eichen in den untersuchten Beständen erkennen. Dies dürfte in erster Linie daran liegen,
daß sich die Bestände zu Beginn der Untersuchungen bereits wieder in einer Phase der Erholung befanden.
Während des Untersuchungszeitraums waren in den Beständen nur noch zwei Eichen abgestorben. Die
Ergebnisse der Untersuchungen lassen darauf schließen, daß auch im nächsten Jahr nicht mit größeren
Abgängen zu rechnen ist, zumal auch die stark geschädigten Eichen teilweise eine deutliche Erholungstendenz
zeigen. Offensichtlich haben unsere Untersuchungen zu spät eingesetzt, um das ” Eichensterben“,
welches in den Beständen besonders in den Jahren 1991-1993 auftrat, direkt an davon betroffenen Eichen
zu beobachten.
8.1.10 Vergleichende Untersuchung zum Photosyntheseapparat an Fichten und Eichen unterschiedlicher
Freilandstandorte im Zusammenhang mit den Neuartigen Waldschäden
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Petra Strobel
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
In dieser Dissertationsarbeit wurden im Hinblick auf die Neuartigen Waldschäden zweijährige Fichtennadeln
sowie Eichenblätter von vier verschiedenen Waldstandorten unter jeweils verschiedener Fragestellung
untersucht. Da als Hauptauslöser inzwischen verstärkt Luftschadstoffe, insbesondere hohe Ozonkonzentrationen,
in Verbindung mit Mineralstoffmangel und/oder extremen klimatischen Belastungen diskutiert
werden, wurden Standorte mit hohen Ozonbelastungen sowie Nährstoffmangel ausgewählt.
Um das maximale Ausmaß einer Schadausprägung festzustellen, wurden vergleichende Untersuchungen
an einem phänotypisch ungeschädigten Fichtenkollektiv mit einem benachbarten, phänotypisch stark
geschädigten Fichtenkollektiv durchgeführt. Die Wirkung von Luftschadstoffen wurde an zu Versuchsbeginn
phänotypisch ungeschädigten Fichten in einem Schadgasausschluß-experiment mit Hilfe von Open-Top-
Kammern untersucht. Es sollte zudem dadurch festgestellt werden, ob es sich bei den Untersuchungsparametern
um Frühindikatoren handelt. Vergleichende Untersuchungen zwischen phänotypisch ungeschädigten
und geschädigten Fichten bzw. Eichen auf benachbarten ungekalkten und gekalkten Versuchsflächen sollten
aufzeigen, ob sich Eichen bezüglich der Schadausbildung wie Fichten verhalten und ob eine Kalkung
eine geeignete Maßnahme zur Verbesserung des Zustandes der Waldbestände darstellt.
Zur Untersuchung der physiologisch-biochemischen Hintergründe der an den betrachteten Standorten auftretenden
Schäden wurden neben dem Chlorophyllgehalt Komponenten der photosynthetischen Elektronentransportkette
(QB-Protein, Cyt b-559, Cyt f, Cyt b-563, P700) quantitativ bestimmt.
51

An Standorten mit dem Schadbild der montanen Vergilbung zeigten sich bereits früh typische Veränderungen
an den Thylakoidmembranen, die zu einer allgemeinen Schädigung des Baumes führen können. Es konnte
aufgezeigt werden, daß nicht nur ein deutlicher Chlorophyllabbau, sondern auch eine Reduzierung im
Gehalt verschiedener Redoxkomponenten (QB-Protein, Cyt f) vorliegt. Diese Veränderung im Gehalt der
Redoxkomponenten kann über das Ausmaß des Chlorophyllabbaus hinausgehen. Dadurch ändert sich die
Stöchiometrie in den Thylakoidmembranen. Das QB-Protein reagiert bereits frühzeitig relativ stark auf
Schädigung, während der Gehalt an P700 auch in deutlich geschädigten Fichten nur im gleichen Verhältnis
wie das Chlorophyll reduziert wird. Damit stellt das Verhältnis von PS II : PS 1 (QB-Protein : P700)
einen guten Schadindikator dar. An Messungen des QB-Proteins und des Cyt f-Gehaltes konnte weiterhin
festgestellt werden, daß diese Komponenten bereits auf Streß bzw. beginnende Schädigung reagieren, so
daß sie frühzeitig eine Schädigung der Thylakoidmembranen anzeigen.
Ozon in Kombination mit Magnesiummangel konnte als wichtiger Verursacher der Neuartigen Waldschäden
bestätigt werden. Die Bäume scheinen allerdings hinsichtlich des Auftretens von Schäden einen gewissen
” Schwellenwert“ zu besitzen. Unterhalb des Schwellenwertes finden sich nur wenige Stress- bzw. Schadreaktionen,
oberhalb des Schwellenwertes zeigen die Pflanzen Schädigungen auf breiter physiologischer Basis.
Dies gilt auch für die gemessenen Redoxkomponenten in den Thylakoidmembranen. Es ist anzunehmen,
daß die Höhe des Schwellenwertes genetisch fixiert ist.
In der Schadausprägung reagieren Eichen bezüglich ihres Photosyntheseapparates in vergleichbarer Weise
wie Fichten. Die Schädigung des Photosyntheseapparates erfolgt frühzeitig. Zusammen mit dem Chlorophyllabbau
findet - wie bei Fichten - eine Reduktion der Photosynthesekomponenten statt, wobei die
gemessenen Parameter unterschiedlich stark von der Schädigung betroffen werden.
Die durchgeführte Dolomitkalkung scheint bei einer schlechten Mineralversorgung im Mangelbereich nicht
nur eine stabilisierende, sondern auch eine regenerierende Wirkung auf den Photosyntheseapparat und
damit auf den Vitalitätszustand der Bäume zu besitzen. Die Kalkungswirkung tritt bei älteren Bäumen
jedoch verzögert erst nach einigen Jahren auf.
8.1.11 Biochemische Schadinidkation der neuartigen Waldschäden bei Fichten
Bearbeiterin: Dr. Sabine Tietz-Siemer
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Im Sommer 1991 wurden in Nordrhein-Westfalen 20 Fichtenbestände hinsichtlich ihrer Schädigung untersucht.
Das Schadausmaß wurde dabei neinerseits mit den okularen Kriterien der Waldschadenserhebung
(Nadelverlust und Nadelvergilbung) und andererseits mit biochemischen Parametern in den Nadeln ermittelt.
Diese als Biomarker bezeichneten biochemischen Parameter ändern sich gleichsinnig mit dem
Schädigungsgrad der Bäume und stellen ein Maß für die Schädigung dar. Eine Gegenüberstellung der beiden
Schadansprachen sollte zeigen, inwiefern Biomarker eine sinnvolle und notwendige Ergänzung für eine
differenziertere Beurteilung der neuartigen Waldschäden bei Fichten darstellen.
In den Nadeln der 20 Fichtenbestände wurden eine Reihe von physiologisch-biochemischen Parametern
als Biomarker untersucht, die sich in zahlreichen Freilanduntersuchungen als geeignet erwiesen, den
Schädigungsgrad der Bäume wiederzugeben. Dazu gehören u.a. der Gesamt-Chlorophyllgehalt, der Gehalt
der Redoxkomponente Cytochrom f der photosynthetischen Elektronentransportkette in den Chloroplasten
und der Magnesiumgehalt sowie die PEPC-Aktivität und die Gehalte an Putrescin und Ascorbat.
Diese Parameter wurden in den 2-jährigen Nadeln der beernteten Fichten untersucht und der Schadstufe
der Bäume, die in der jährlich durchgeführten Waldschadenserhebung der Bundesrepublik Deutschland
ermittelt wurden, gegenübergestellt.
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, daß besonders die PEPC-Aktivität der Nadeln einen geeigneten
Indikator für die Schädigung bei Fichten darstellt. Dieses Ergebnis wurde durch die vorliegenden Untersu-
52

chungen bestätigt. So konnte eine Zunahme der PEPC-Aktivität in den Fichtennadeln mit zunehmender
Schadstufe gefunden werden. Die Korrelation beider Parameter war signifikant (r = 0.6, s = 0.007).
Ähnliche Korrelationen fanden sich auch für andere Biomarker. So nahm der Chlorophyllgehalt der Nadeln
mit zunehmender Schadstufe der Fichten ab. Ebenso waren für die Magnesiumkonzentrationen in den
Nadeln abnehmende Werte bei zunehmender Schadstufe der Fichten zu beobachten.
Die Ergebnisse zeigen nochmals, daß diese als Biomarker eingesetzten physiologisch-biomechanischen Parameter
den Schädigungsgrad der untersuchten Fichtenbestände wiederspiegeln. Im Gegensatz zu den okularen
Kriterien Nadelverlust und Vergilbung, die lediglich eine Klassifizierung der Schäden in 5 Schadstufen
erlauben, ist mit Hilfe der Biomarker eine wesentlich differenziertere Beurteilung des Schädigungsgrades der
Fichten möglich. Zudem kann eine beginnende, äußerlich noch nicht sichtbare Schädigung mittels Biomarker
erfaßt werden, da sich Stoffwechselveränderungen vor der sichtbaren Schädigung zeigen. Es erscheint
daher sinnvoll, neben den okularen Kriterien physiologisch-biochemische Parameter heranzuziehen, um eine
differenziertere Beurteilung der Waldschäden gewähleisten zu können.
8.1.12 Untersuchungen zum molekularen Mechanismus der Photosystem II-Photoinhibition an
Spinat (Spinacia oleracea L.)
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Helmut Tripp
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Ziel der vorliegenden Arbeit war die nähere Untersuchung der molekularen Vorgänge innerhalb des Reaktionszentrums
II während Photoinhibition. Die Versuche konzentrierten sich auf die im Photosystem
II von höheren Pflanzen und Algen vermutete proteolytische Aktivität. In Übereinstimmung mit diverser
gegenwärtiger Literatur wurde von einer proteolytischen Spaltung des D1-Proteins aus dem Photosystem
II im Bereich der Plastochinon QB-Bindenische während Photoinhibition ausgegangen.
Zur Detektion der vermuteten Spaltstelle wurden Antikörper gegen die entsprechende Proteinregion hergestellt.
Hierzu erfolgte eine Amplifizierung des korrespondierenden Abschnittes des psbA-Gens mittels PCR.
Das erhaltene Genfragment wurde daraufhin in einen Expressionsvektor einkloniert. Das D1-Fragment
wurde als Fusionsprotein zusammen mit dem bakteriellen Maltose-Bindeprotein exprimiert. Mit diesem
Fusionsprotein wurden vier Kaninchen immunisiert.
Entgegen der ursprünglichen Hypothese konnte keine proteolytische Spaltung des Dl-Proteins aus dem Reaktionszentrum
während photoinhibitorischer Belichtung von Spinat-Thytakoiden detektiert werden. Dieser
Befund steht im Gegensatz zu häufig formulierten Modellen über den D1-turn-over, deckt sich allerdings
mit einer Reihe von Publikationen, die einer nachgewiesenen proteolytischen Aktivität innerhalb des Photosystems
II eine regulatorische Funktion, unter Spaltung eines anderen, als des Dl-Proteins, beimessen.
Es wurde allerdings eine Markierung des D1-Proteins im Zuge von Photoinhibition festgestellt, die zu einer
Verminderung der Mobilität des Proteins im elektrischen Feld führte. Diese Proteinmodifikation wird mit der
vermehrten Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies unter Starklicht in Zusammenhang gebracht. Die
radikalische Proteinschädigung kann als ein wesentlicher Faktor angesehen werden, der das Polypeptid für
einen Abbau markiert. Diese proteolytische Dl-Degradation benötigt, nach den vorliegenden Ergebnissen,
zusätzlich zu den thylakoidinternen noch weitere Faktoren.
Die nachgewiesene proteolytische Aktivität konnte den Serin-Proteasen zugeordnet werden. Zusätzlich
konnte gezeigt werden, daß die proteolytische Aktivität der Thylakoide und Grana konstitutiv ist und durch
Licht in ihrer Wirkungsstärke nicht beeinflußt wird.
Während kein direkter Abbau des D1-Proteins durch die gefundene(n) Protease(n) gezeigt werden konnte,
ergaben sich aber Hinweise auf eine indirekte Beteiligung dieser proteolytischen Funktion an der Dl-
Degradation. Die Bestimmungen der Atrazin-Bindestellen innerhalb des PS II ergaben, daß eine Hem-
53

mung der Protease(n) in einer strukturerhaltenden Wirkung des D1-Bereiches, der den Elektronencarrier
Plastochinon (QB) sowie zahlreiche Herbizide bindet, resultiert. Ebenso war der photosynthetische Elektronentransport
über die QB-Bindestelle nach Proteasehemmung deutlich gesteigert. Der nachgewiesenen
proteolytischen Aktivität wird infolgedessen eine Beteiligung an der Aufrechterhaltung der QB-Bindestellen-
Konformation zugeschrieben. Der eigentliche Dl-Abbau erfolgte nicht durch die membrangebundene(n)
Protease(n). Es wird in Übereinstimmung mit neueren Modellen zur D1-Degradation, demzufolge davon
ausgegangen, daß weitere, höchstwahrscheinlich kerncodierte, stromale Faktoren für den Dl-Abbau
erforderlich sind.
8.1.13 Ethylenmetabolismus in Waldbäumen: Untersuchungen zum Gehalt an 1-Aminocyclopropan-Carboxylsäure
(ACC), N - Malonylaminocyclopropan - Carboxylsäure (MACC) und
zur Ethylenproduktion in unterschiedlich geschädigten Fichten, Tannen und Eiche
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Werner Wilksch
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Das Phytohormon Ethylen ist im Stoffwechsel für eine Vielzahl von Regulationen verantwortlich. Daneben
hat es maßgeblichen Anteil an der Reaktion einer Pflanze auf von außen wirkenden Streß. Deswegen wird
Ethylen als ” Streßhormon“ bezeichnet.
Schädigungen an Waldbäumen sind oft auf Streß zurückzuführen, dem die Bäume ausgesetzt sind. Vorhergehende
Arbeiten zum ACC- und MACC-Gehalt haben gezeigt, daß diese Parameter geeignet sind, den
Schädigungszustand von Bäumen zu beschreiben.
Mit dieser Arbeit wurde nun der Versuch unternommen, auch das Ethylen selbst in die Betrachtungen
mit einzubeziehen. Bislang war es technisch sehr schwer, Ethylenmessungen an voll entwickelten Bäumen
durchzuführen. Es wurde eine einfache, praktisch durchführbare Methode entwickelt, mit der das von
einzelnen Astabschnitten produzierte Ethylen in einem statischen System gesammelt werden kann. Bei
allen Nachteilen einem kontinuierlich arbeitenden System gegenüber bietet die Methode den Vorteil, daß die
Meßwerte ohne großen materiellen und zeitlichen Aufwand gewonnen werden können. Die durchgeführten
Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit standen zum einen in Zusammenhang mit einem breit angelegten
Projekt, das den Versuch unternahm, die biochemische Schadensindikation als ein eigenständiges System
neben der traditionellen okularen Schadensansprache einzusetzen, um diese zu ergänzen. Zum anderen
wurde mit den Jahresgangmessungen aller drei Parameter versucht herauszufinden, inwieweit jahreszeitlich
bedingte Schwankungen der drei Stoffe auftreten. Gleichzeitig wurden damit einige nähere Einblicke in
Regulationsmechanismen der Parameter untereinander gewonnen.
Jahresgang: Alle drei Parameter weisen in den untersuchten drei geschädigten und drei ungeschädigten
Bäumen deutlich ausgeprägte Jahresgänge auf. Die Ethylenproduktion hat jeweils in der Zeit zwischen
August und Oktober in jedem Baum ein ausgeprägtes ” Herbstmaximum“. Wahrend der Wintermonate
November bis März befindet sich die Ethylenproduktion in allen Bäumen ausnahmslos auf einem sehr
niedrigen Niveau. Zu Beginn des Frühlings ist ein Anstieg der Produktion festzustellen. Der ACC-Gehalt
sank den Winter hindurch kontinuierlich ab, stieg im Frühjahr an, erreichte je nach Baum zwischen April und
August ein Maximum, um dann wieder abzusinken. Insgesamt gesehen schwankten alle Bäume bezüglich
ihres ACC-Gehaltes mit Ausnahme eines Ausreißers in einem bestimmten Bereich. Dabei pendelten die
Gehalte in allen Bäumen über den gesamten Bereich.
Der MACC-Gehalt in den Nadeln der untersuchten Bäume war im Gegensatz zu den anderen Parametern
im Winter am höchsten. Während des Herbstes hatte eine Aufstockung des Gehaltes stattgefunden. Zu
Beginn des Frühjahres wurde der MACC-Pool - vermutlich innerhalb sehr kurzer Zeit - wieder verkleinert,
was mit einem Anstieg der Ethylen-Produktion einher geht.
Die Betrachtung der Verhältnisse der Meßwerte aller drei Parameter eröffnete die Einsicht, daß der ACC-
54

Pool bezogen auf die Ethylenproduktion während des Winters wesentlich größer ist als im restlichen Jahr.
Zu dieser Jahreszeit ist im Pool wesentlich mehr ACC vorhanden, als für die Bildung des Ethylens, das in
einer Stunde produziert wird, benötigt wird. In der restlichen Zeit des Jahres ist der Pool stets kleiner als
für die Ethylenproduktion notwendig. Dies wird derart gedeutet, daß während des Sommers ein starker
Fluß durch den Pool stattfindet und während des Winters, wenn wenig Ethylen abgegeben werden soll,
dessen Produktion auch über die ACC-Oxidase gedrosselt wird. Gleichzeitig wird ein größerer Teil des
ACC aus diesem Pool zu MACC metabolisiert. Die Größe des MACC-Pools scheint dabei stärker von der
Größe des ACC-Pools abzuhängen als von der Stärke des Flusses durch diesen Pool und damit von der
Ethylen-Produktion.
Die hier aufgenommenen Jahresgänge, spiegeln offensichtlich keine streßinduzierten Schwankungen wider,
sondern beruhen lediglich auf endogenen und exogenen Faktoren wie Beeinflussung durch andere Hormone
oder Tageslänge und Temperatur. Somit ist davon auszugehen, daß diese ermittelten Tagesgänge - zumindest
für diesen Standort - eine allgemeingültige Tatsache darstellen. Um das Phänomen zu generalisieren
ist es natürlich nötig, Tagesgänge an anderen Standorten zu untersuchen.
Okulare und Biochemische Schadensansprache bei Fichten und Weißtannen. Die gewonnenen Ergebnisse
zeigen, daß alle drei hier untersuchten Parameter in der Lage sind, biochemische Veränderungen im Stoffwechsel
des Baumes anzuzeigen. Stark geschädigte Bäume lassen sich dabei sehr gut von ungeschädigten
unterscheiden. Dies gilt auch (bedingt) bei einzelner Betrachtung aller drei untersuchten Parameter. Eine
genauere Differenzierung hinsichtlich einer beginnenden Auslenkung des Stoffwechsels aufgrund eines
einwirkenden Stressors läßt sich bei dieser zeitlichen Auflösung allerdings kaum treffen. Vor allem die
Parameter ACC-Gehalt und Ethylen-Produktion sind geeignet, Veränderungen, die der Baum erfährt, innerhalb
kürzester Zeit erkennen zu lassen, doch setzt dies auch die entsprechende zeitliche Auflösung bei
der Beerntung voraus.
8.1.14 Molekularbiologische Untersuchungen der Multigenfamilie der Glutamin-Synthetase aus
Brassica napus
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Siegfried Wojtyna
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Wild
Die Kulturpflanze Raps (Brassica napus) benötigt beim Anbau relativ hohe Düngemitteleinsätze um maximale
Saaterträge zu erzielen. Dabei wird weniger als 50 % der eingesetzten Stickstoffmenge in den Samen
wiedergewonnen.
Ansatzpunkt für molekulargenetische Verbesserungen zur Stickstoffverwertungseffizienz ist das Schlüsselenzym
der Stickstoffassimilation, die Glutamin-Synthetase. Der über die Bodenlösung aufgenommene Stickstoff
wird durch die Glutamin-Synthetase in organische Verbindungen überführt, wobei vor allem die cytosolischen
Isoformen der GS eine entscheidende Rolle spielen.
Ziel dieser Promotion ist es, die Gene für mindestens zwei Paare der GS-Isoformen über eine Genbank in
ihrer Sequenz aufzuschlüsseln und zu charakterisieren. Anhand dieser Ergebnisse ist es in Zukunft vielleicht
möglich, den Stickstoffeinsatz auf dem Feld zu minimieren - bei gleichzeitiger Sicherung des Ernteertrages.
Bereits abgeschlossene Arbeiten:
• Erstellung einer Phagenbank
• Screenen der Phagenbank mit spezifischen Ribosonden
• Isolierung der GS-haltigen Klone
• Subklonierung der GS-Fragmente in ein geeignetes Vektorsystem, als Voraussetzung einer sich anschließenden
Sequenzierung der GS-Fragmente.
55

• Sequenzierung zweier Gene, codierend für die plastidäre Isoform L1 (einschließlich Promotor- und
Terminatorregion) und die cytosolische Isoform R2-1 (Promotorregion, 1. Exon und 1. Intron fehlen)
• Erstellung einer Cosmidbank
Da mannigfaltige Schwierigkeiten mit dem Phagensystem auftraten (Restriktionen, Amplifizierung der Phagen,
Isolation der Phagen-DNA, Subklonierung, Stabilität der Phagen), wurde die Erstellung einer Cosmidbank
vorgenommen. Da Cosmide doppelt so große DNA-Fragmente aufnehmen können, halbiert sich die
Anzahl der Klone in der Bank. Die Komplexität der Bank reduziert sich und das darauffolgende Screenen
der Klone vereinfacht sich. Zur Sequenzierung sind keine Subklonierungen notwendig, da direkt aus dem
Cosmid heraus sequenziert werden kann. Des weiteren sind Cosmide ähnlich einfach in ihrer Handhabung
wie Plasmide.
Zukünftige Arbeiten:
• Vollständige Sequenzierung und Charakterisierung der Gene für die plastidären Isoformen L1 und L2
und für das cytosolische Pärchen R2-1 und R2-2.
• Vergleiche untereinander und mit verwandten Arten wie Arabidopsis thaliana.
8.1.15 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
BAUR, M., LAUCHERT, U., WILD, A.: Biochemical indicators for novel forest decline in spruce. Chemosphere
36, 865-870 (1998).
DIETZ, B., MOORS, I., FLAMMERSFELD, U., RÜHLE, W., WILD, A.: Investigation on the photosynthetic
membranes of spruce needles in relation to the occurrence of novel forest decline. I. The photosynthetic
electron transport. Z. Naturforsch. 43c (Biosciences 43), 581-588 (1988).
KAUS, A., SCHMITT, V., SIMON, A., WILD, A.: Microscopical and mycological investigations on wood
of pedunculate oak (Quercus robur L.) relative to the occurrence of oak decline. J. Plant Physiol. 148,
302-308 (1996).
KAUS, A., WILD, A.: Nutrient disturbance through manganese accumulation in Douglas fir. Chemosphere
36, 961-964 (1998).
KAUS, A., WILD, A.: Physiologische Aspekte der Erkrankung der Douglasie (Pseudotsuga menziesii var.
viridis). Mitteilungen der Forstlichen Versuchsanstalt Rheinland-Pfalz 41/97, 117-127 (1997).
KURZ, C., SCHMIEDEN, U., STROBEL, P., WILD, A.: The combined effect of CO2, ozone, and drought
on the radical scavenging system of young oak trees (Quercus petraea) - A phytotron study. Chemosphere
36, 783-788 (1998)
LAUCHERT, U., WILD, A.: Studies on the correlation of putrescine and potassium content on the needles
of spruce trees. J. Plant. Physiol. 147, 267-269 (1995)
OCHS, G., SCHOCK, G., TRISCHLER, M., KOSEMUND, K., WILD, A.: Complexity and expression of the
glutamine synthetase multigene family in the amphidiploid crop Brassica napus. Plant Molecular Biology,
39, 395-405 (1999).
OCHS, G., SCHOCK, G., WILD, A.: Chloroplastic glutamine synthetase from Brassica napus. Plant
Physiol. 103, 303-304 (1993).
OCHS, G., SCHOCK, G., WILD, A.: Purification and characterization of glutamine synthetase isoenzymes
from leaves and roots of Brassica napus (L.). J. Plant Physiol. 147, 1-8 (1995)
PEUSER, D., WILD, A.: Umweltsimulation. Nachr. Chem. Tech. Lab. 44, 289-294 (1996).
56

PEUSER, D., WILD, A.: Umweltsimulation mit dem PC. Verein der Forschungsingenieure 4, 23-31 (1996).
PEUSER, D., LENZ, C:, WILD, A.: Umweltsimulation für Pflanzen in Klimakammern: eine kostengünstige
Lösung mittels industrieller Standardsoftware und eines selbstentwickelten CO2-Analysators. Forschungsmagazin
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Sonderausgabe aus Anlaß der Hannover Messe, S.
34-42, März/April 1995.
SCHMITT, V., SCHEUERMANN, R., WILD, A.: Auswirkungen einer Düngemaßnahme auf physiologische
und biochemische Parameter unterschiedlich geschädigter Fichten an der Umweltkontrollstation Idar-
Oberstein. In: Mitteilungen aus der Forstlichen Versuchsanstalt Rheinland-Pfalz, Nr: 32, S. 90-105.
Ministerium für Landwirtschat, Weinbau und Forsten Rheinland-Pfalz (1995) (ISSN 0931-9662).
SCHMADEL-HAGEBÖLLING, H.E., ENGEL, C., SCHMITT, V., WILD, A.: The combined effects of CO2,
ozone, and drought on Rubisco and nitrogen metabolism of young oak trees (Quercus petraea) - A phytotron
study. Chemosphere 36, 789-794 (1998).
SCHOCK, G., OCHS, G., WILD, A.: Glutamine synthetase from roots of Brassica napus. Nucleotide
sequence of a cytosolic isoform. Plant Physiol. 105, 757-758 (1994).
SCHULZ, H., WEIDNER, M., BAUR, M., LAUCHERT, U., SCHMITT, V., SCHROER, B., WILD, A.:
Recognition of air pollution stress on Norway spruce (Picea abies L.) on the basis of multivariate analysis
of biochemical parameters: a model field study. Angew. Bot. 70, 19-27 (1996).
SIMON, A., WILD, A.: Auswirkungen verschiedener Futterpflanzen auf die Entwicklung von Schwammspinnerraupen.
Mitteilungen aus der Forstlichen Versuchsanstalt Rheinland-Pfalz, 45, 14-26 (1999).
SIMON, A., WILD, A.: Mineral nutrients in leaves and bast of pedunculate oak (Quercus robur L.) at
different states of defoliation. Chemosphere 36, 955-959 (1998).
SIMON, A., WILD, A.: Untersuchungen zum Mineralstoff-, Phenol- und Chlorophyllgehalt in Blatt und
Rinde von unterschiedlich stark geschädigten Stieleichen (Quercus robur). In: Wulf, A. und Kehr, R.:
Eichensterben in Deutschland: Situation, Ursachenforschung und Bewertung. Mitteilungen aus der Biologischen
Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft BerlinDahlem, Heft 318, Seite 99-114. Parey Buchverlag,
Berlin (1996). ISSN 0067-5849, ISBN 3-8263-3123-0.
TIETZ, S., WILD, A.: Phosphoenolpyruvate carboxylase activity and malate content of spruce needles of
healthy and damaged trees at three mountain sites. Biochem. Physiol. Pflanzen 187, 273-282 (1991).
TIETZ, S., SCHNEIDER, S., GILL, J., WILD, A.: Die PEPC-Aktivität als biochemischer Indikator für den
Schädigungsgrad bei Fichten. UWSF (Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung) - Z. Umweltchem.
Ökotox. 3, 206-209 (1991).
TIETZ, S., WILD, A.: Die PEPC-Aktivität als Schadindikator in Fichtennadeln. UWSF (Umweltwissenschaften
und Schadstoff-Forschung) - Z. Umweltchem. Ökotox. 2, 197-198 (1990).
TIETZ, S., WILD, A.: Investigations on the phosphoenolpyruvate carboxylase activity of spruce needles
relative to the occurrence of novel forest decline. J. Plant Physiol. 137, 327-31 (1991).
TRIPP, H., REILÄNDER, H., WILD, A.: A rapid method for amplification of plastome DNA-fragments
from Spinacia oleracea by PCR. J. Plant Physiol. 142, 115-116 (1993).
TRIPP, H., WIELAND, A., RICHTER, M., WILD, A.: Photoinhibition involves the shift of subunit D1
to a higher molecular weight rather than protein cleavage in isolated spinach thylakoids. Plant Physiol.
Biochem. special issue (lOth FESPP congress, Italy), 112-113 (1996).
WILD, A., DIETZ, B., FLAMMERSFELD, U., MOORS, I.: Comparative investigations on the photosynthetic
electron transport chain of spruce (Picea abies) with different degrees of damage in the,open air.
In. Air Pollution and Ecosystems, pp. 754-759, P. Mathy (ed)., Proceedings symposium from 18th to
22nd May 1987 in Grenoble. D. Reidel Publishing Company, Dordrecht, Boston, Lancaster, Tokyo (ISBN
57

90-277-2611-6) 1988.
WILD, A., FLAMMERSFELD, U., DIETZ, B., MOORS, I., RÜHLE, W.: Investigation on the photosynthetic
membranes of spruce needles in relation to the occurrence of novel forest decline. II. The content of QBprotein,
cytochrome f, and P-700. Z. Naturforsch. 43c (Biosciences 43), 589-595 (1988).
WILD, A., TIETZ, S.: Physiological and cytomorphological investigations of undamaged and damaged
spruce in the Northern Black Forest. In: 7. Statuskolloquium des PEF vom 5.-7. März 1991 im Kernforschungszentrum
Karlsruhe, KFK-PEF 80, pp. 93-107, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1991.
WILD, A., TIETZ, S.: Untersuchung der Phosphoenolpyruvat-Carboxylase bei Fichten in Open-Top-
Kammern. In: Oben Offene Experimentierkammern am Edelmannshof, 1. Bericht. KfK-PEF 76, S.
163-172, Kernforschungszentrum Karlsruhe, Karlsruhe 1991.
WILD, A., TIETZ-SIEMER, S., FLAMMERSFELD, U.: Unter-suchungen über primäre latente Wirkungen
von Automobilabgasen auf die Photosynthesemembranen und den Metabolismus von Pflanzen unter definierten
Bedingungen in Expositionskammern. Forschungsbericht Bundesministerium für Forschung und
Technologie (BMFT), Förderkennzeichen 0339190 C. BMFT (1992).
WILD, A., TIETZ-SIEMER, S.: Physiological and cytomorphological investigations of undamaged and
damaged spruce trees in the northern Black Forest. In: 8. Statuskolloquium des PEF vom 17.-19. März
1992 im Kernforschungszentrum Karlsruhe, KfK-PEF 94, 47-59 (1992).
WILD, A., SCHMITT, V., TIETZ-SIEMER, S.: Biochemische Schadindikation der Neuartigen Waldschäden
bei Fichten. PEPC-Kataster Nordrhein-Westfalen. Forschungsberichte zum. Forschungsprogramm des
Landes Nordrhein-Westfalen ” Luftverunreinigungen und Waldschäden“, Nr. 36, 1994 (ISSN 0934-5124).
WILD, A., FLAMMERSFELD, U., TIETZ, S.: Untersuchung der Thylakoidmembran (P-700 und Cytochrom
f) und der Phosphoenolpyruvat-Carboxylase bei Fichten in Open-Top-Kammern. In: 5. Statuskolloquium
des PEF vom 7.-9. März 1989 im Kernforschungszentrum Karlsruhe, KfK-PEF 50, pp. 247-257,
Kernforschungszentrum Karlsruhe, Karlsruhe, 1989.
WILD, A., FLAMMERSFELD, U., TIETZ, S.: Investigation of the thylakoid membrane (P-700 and cytochrome
f) and the phosphoenolpyruvate-carboxylase of Norway spruce in open-top-chambers. In: 6.
Statuskolloquium. des PEF vom 6.-8. März 1990 im Kernforschungszentrum. Karlsruhe, KFK-PEF 61,
pp. 231-243, Kernforschungszentrum Karlsruhe, Karlsruhe, 1990.
WILD, A., SCHMITT, V., EIS, U., STROBEL, P., WILKSCH, W., WOHLFAHRT, S.: Okulare und biochemische
Schadensdiagnose bei Fichten und Weißtannen. Ein Vergleich beider Diagnoseverfahren an Dauerbeobachtungsflächen
in Baden-Württemberg. Forschungszentrum Karlsruhe - Projekt ” Europäisches Forschungszentrum
für Maßnahmen zur Luftreinhaltung“, FZKA-PEF 149, D-76021 Karlsruhe, FRG (1996).
ISSN: 0948-535 X (Buch).
WILD, A., STROBEL, P., FLAMMERSFELD, U.: Studies of components of the thylakoid membrane of
undamaged and damaged spruce trees at different mountain sites. Z. Naturforsch. c (Biosciences) 48c,
911-922 (1993).
WILD, A., STROBEL, P., SIEMER, S., FLAMMERSFELD, U.: Studies on redox components of the thylakoid
membrane and on the activities of phosphoenolpyruvate carboxylase and glutamate dehydrogenase of
spruce in an open-top chamber experiment. In: Bittlingmaier, L.: Air pollutant exclusion experiment with
spruce trees at Edelmannshof: Physiological and biochemical investigations, pp. 103-132. Forschungszentrum
Karlsruhe, PEF-Projekt ” Europäisches Forschungszentrum für Maßnahmen zur Luftreinhaltung“,
FZKA-PEF 164 (1997). ISSN 0948-535X.
WILD, A., TIETZ-SIEMER, S., RICHTER, C., SCHMITT, V., STROBEL, P.: Physiologische, biochemische
und cytomorphologische Untersuchugen an immissionsgeschädigten Fichten im Zusammenhang mit den
neuartigen Waldschäden an einem Standort im Nordschwarzwald (Staatswald Freudenstadt). In: Bittling-
58

maier, L., Reinhardt, W., Siefermann-Harms, D. (Herausgeber): Waldschäden im Schwarzwald. Ergebnisse
einer interdisziplinären Freilandstudie zur montanen Vergilbung am Standort Freudenstadt/Schöllkopf, S.
204-255. Ecomed, 86899 Landsberg (1995) (ISBN: 3-609-69470-X).
WILKSCH, W., WOHLFAHRT, S., STROBEL, P., WILD, A.: Diagnosis of damage to Norway spruce (Picea
abies) through ethylene and other biochemical criteria. In: Garab, G. (Ed.): Photosynthesis: Mechanisms
and Effects, Vol. IV, pp. 2749-2752. Proc. XIth Intern. Congress on Photosynthesis, Budapest (Hungary),
August 17-22, 1998. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London (1998).
WILKSCH, W., SCHMITT, V., WILD, A. Ehtylene biosynthesis in conifers: investigations on the emission
of ethylene and the content of ACC and MACC in Norway spruce (Picea abies) and silver fir (Abies alba).
Chemosphere, 36, 883-888 (1998).
YANG, C., WILKSCH, W., WILD, A.: 1-Aminocyclopropane-l-Carboxylase acid, its malonyl conjugate and
1-Aminocyclopropane-1-carboxylase synthase activity in needles of damaged and undamaged Norway spruce
trees. J. Plant Physiol. 143, 389-395 (1994).
ZHU, H., WILD, A.: Changes in the content of chlorophyll and redox components of the thylakoid membrane
during development and senescence of beech (Fagus sylvatica) leaves. Z. Naturforsch. 50 c, 69-76
(1995).
8.2 Analyse des Photosyntheseapparates und biochemische Charakterisierung phototropher
Algen
Univ.-Prof. Dr. C. Wilhelm und Mitarbeiter (Institut für Allgemeine Botanik)
8.2.1 In-Vivo Chlorophyll a-fluoreszenz von einzelligen Algen zur quantitativen Erfassung von
Herbiziden in Wasser
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Roswitha Conrad
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. C. Wilhelm
Der Algenfluoreszenztest ist ein schnelles und kostengünstiges Biotestsystem, das auf der Basis der Chl
a in-vivo Fluoreszenz einzelliger Algen für die summative Erfassung ökonomisch und ökologisch relevanter
PSII-Herbizide konzipiert wurde. Eine hohe Selektivität für die PSII-spezifischen Schadstoffe wird
gewährleistet durch das PAM Fluorometer, das aus dem Gesamtfluoreszenzsignal der Probe selektiv den
Fluoreszenzanteil erfaßt, der durch die Bindung der PSII-Herbizide an die PSII-Reaktionszentren verursacht
wird. Hohe Meßwertschwankungen, wie sie in biologischen Systemen üblicherweise auftreten, werden
minimiert durch die gezielte Berücksichtigung physiologischer Prozesse und Parameter, die im intakten
Testorganismus eine unspezifische Veränderung des herbizid-sensitiven Fluoreszensignals bewirken. Die
einzelnen Untersuchungsergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Als Testorganismus im Algenfluoreszenztest wurde die einzellige Grünalge Chlorella fusca verwendet.
Maximale Sensitivität erhält man mit 14 Tage alten Zellsuspensionen, einem Chlorophyllgehalt von
250 mg/l und einer Suspensionstemperatur von 14 ◦ C.
• Die im Algenfluoreszenztest experimentell ermittelten Dosis-Response-Kurven für DCMU, Atrazin und
Simazin konnten auf der Basis der Hill-Gleichung mathematisch formuliert werden. DCMU zeigte mit
einer in-vivo Hemmkonstante (I50-Wert) von 0.9 µmM eine geringfügig höhere inhibitorische Aktivität
als die Triazine mit I50-Werten von 2.2 M (Simazin) bzw. 3.3 µM (Atrazin). Die Nachweisgrenzen
des Algenfluoreszenztests liegen entsprechend bei 48 µg/l für DCMU und bei 98 µg/l respektive 180
µg/l für Atrazin und Simazin. Die Fehler schwanken im Meßbereich zwischen 10 % und 20 %.
59

• Zum Nachweis von PSII-Herbiziden im Bereich der von der TrinkwV vorgegebenen Pestizid-Grenzwert
von 100 ng/l bzw. 500 ng/l sind Voranreicherungen unerläßlich. Die Festphasenreaktion erwies sich
als eine geeignete Methode zur effizienten Anreicherung von PSII-Herbiziden aus wässrigen Systemen.
Für 0.25 nM und 2.5 nM Herbizidproben wurden Wiederfindungsraten von 70 - 116 % bestimmt,
wobei maximale Anreicherungsfaktoren von 3333 erzielt werden konnten. Die Nachweisgrenzen des
Algenfluoreszenztests sinken dadurch auf Werte von 28.8 ng/l (DCMU), 58.8 ng/l (Simazin) und
64.9 ng/l (Atrazin). Durch die Kopplung des Algenfluoreszenztests mit der Festphasenreaktion steigt
der durchschnittliche Fehler im getesteten Konzentrationsbereich auf ca. 30 %.
• In komplexen Freilandwässern unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung konnten durch die
Verknüpfung Algenfluoreszenztests und Festphasenreaktion Kontaminationen mit PSII-spezifischen
Schadstoffen im Bereich der Pestizid-Grenzwerte summativ erfaßt werden. Die Ergebnisse des Algenfluoreszenztests
zeigen eine tendenzielle Übereinstimmung mit den entsprechenden Daten der
chromatographischen Pestizidanalyse, so daß eine grobe qualitative Einordnung der untersuchten
Proben in nicht oder gering belastete (

anorganischen Kohlenstoff bzw. dem C:N Verhältnis im Medium beeinflußt wird und eine entscheidende
Rolle bei der DMSP Produktion durch marine Algen spielt.
8.2.3 Die Wirkung von UV-B Strahlen auf die Produktivität der Planktonalge Phaeodactylum
tricornutum im Vergleich zur Wirkung von starkem Weißlicht: Hemmeffekte auf den Phytosyntheseapparat
Bearbeiterin: Dipl-Biol. Bettina Kaiser
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. C. Wilhelm
Ziel dieser Arbeit war es, die Wirkungsmechanismen der UV-B-Strahlung anhand simultaner Sauerstoffund
Fluoreszenzmessungen zu charakterisieren und die Interaktion von photosynthetisch aktiver Strahlung
und des UV-Lichts zu erfassen. Dazu wurden Schwachlicht-Kulturen der Diatomee Phaeodactylum tricornutum
verschiedenen Bestrahlungsprogrammen ausgesetzt, in denen unterschiedliche UV- und Weißlichtintensitäten
kombiniert waren. Die Intensität von UV1 entsprach dabei einem 3 bis 15%igen Rückgang der
stratosphärischen Ozonkonzentration, während UV2 einem 50 bis 70%igen Rückgang nahe kommt. Weiterhin
sollte die Präadaption an Starklicht, sowie an Starklichtimpulse mit und ohne UV-Anteil hinsichtlich
ihrer Auswirkungen auf den UV-B Effekt untersucht werden.
Die alleinige UV-B Wirkung führt zu Störungen in der Excitonenübertragung von der Antenne zum Reaktionszentrum
und einem Atmungsrückgang. In Kombination mit Starklicht scheint die UV-B Wirkung zum
Teil anderen Mechanismen zu unterliegen, wobei möglicherweise die Entstehung toxischer Sauerstoffspezies
gefördert wird. Im Rahmen der Starklichtanpassung einer Phaeodactylum-Kultur wird vermutlich die
Konzentration der Sauerstoff-Scavenger-Systeme erhöht. Dies könnte die Ursache der verringerten UV-
Sensitivität von Starklicht-Kulturen im Vergleich zu Schwachlicht-Kulturen darstellen. Starklichtimpulse
während der Anzucht reichen aus, um die Entwicklung photoprotektiver Mechanismen zu fördern, obwohl
keine ausgeprägte HL-Anpassung stattfindet. Werden die Starklichtimpulse zusammen mit einem geringen
UV-Anteil appliziert, wird die Ausbildung photoprotektiver Mechanismen weder verhindert noch gefördert.
Die Existenz spezieller, nur durch UV-Licht induzierbarer Schutzmechanismen vor UV-B Strahlung ist in
Phaeodactylum tricornutum nicht feststellbar.
Die Auswirkungen der zunehmenden UV-B Strahlung auf die Produktivität des Phytoplanktons werden
möglicherweise unterschätzt, da eine UV-B bedingte Verzögerung des Recoverys, der Atmungsrückgang und
die ausgeprägte UV-Empfindlichkeit von Schwachlicht-adaptierten Phytoplanktern nicht berücksichtigt werden.
Dadurch wird auch die Aussagekraft von Klimamodellen relativiert, welche auf Daten zur Abschätzung
der Produktivität zurückgreifen, die diese Effekte nicht berücksichtigen können.
8.2.4 Physiologische Charakterisierung von Planktonalgen aus unterschiedlichen Expositionstiefen
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Martin Lohr
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. C. Wilhelm
Zahlreiche Laboruntersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, daß der pflanzliche Organismus in der
Lage ist, seinen Photosyntheseapparat an die herrschenden Lichtbedingungen anzupassen. In Gewässer
steht die Aktivität des Phytoplankton in einem direkten Zusammenhang mit den Kreisläufen der Makround
Mikroelemente. Für die Abschätzung der Umsätze der Stoffkreisläufe ist daher die Kenntnis der Photosyntheseleistung
der Phytoplankter von entscheidender Bedeutung. Von besonderem Interesse ist dabei
die Untersuchung der Reaktionen der Zellen auf ein überoptimales Lichtangebot (Photoinhibition). Aus Laboruntersuchungen
ist bekannt, daß der Photosyntheseapparat bei einem Überangebot von Licht, zunächst
Photosystem II inaktiviert, dann abbaut und parallel dazu bestimmte Carotinoide synthetisiert, die in der
61

Lage sind, die absorbierte Lichtenergie in Wärme zu überführen. Diese physiologischen Regulationsmechanismen
hängen jedoch vom Adaptationszustand der Zellen ab, der vom Licht selbst getriggert wird. Es ist
daher interessant zu untersuchen, wie unter wechselnden Lichtbedingungen, diese Anpassungsmechanismen
ausgeprägt werden.
Herr Lohr hat dies in zwei verschiedenen experimentellen Zugängen realisiert. Er hat zum einen im Labor
rhythmische Lichtdunkelwechsel bei einem veränderten Nährstoffangebot durchgeführt und die Reaktionen
der Zellen unter diesen Bedingungen studiert. Er hat zweitens die Zellen in einem natürlichen Lichtklima
ausgesetzt und dann solcherart angepaßte Zellen hinsichtlich ihrer Reaktionen auf Lichtstress untersucht.
Es zeigte sich bei den Laborexperimenten, daß rhythmische Photoinhibition im Langzeitexperiment (über
mehrere Tage) die Produktivität kaum negativ beeinflußt, da die Zellen Resistenzmechanismen entwickeln,
die zu einer schnellen Wiedererholung führen. Versuche, die Primärproduktion auf der Grundlage von Gaswechselmessungen
zu quantifizieren, zeigen eine aussichtsreiche Perspektive. Produktionsabschätzungen
allein auf der Grundlage von Fluoreszenzmessungen scheinen bestenfalls relativ aber keinesfalls absolut
möglich zu sein. Die Ergebnisse der Laborexperimente sind in zwei Publikationen niedergelegt (Wilhelm et
al. 1994, Wilhelm et al. 1995).
8.2.5 Molekulare Analyse des Photosyntheseapparates von Phytoplanktonalgen unter freilandnahen
Bedingungen
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Anna-Maria Müller
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. C. Wilhelm
Zielsetzung der Untersuchung war es, die Adaptation des Photosyntheseapparates der Diatomee Phaeodactylum
tricornutum an die natürlichen Licht- und Temperaturbedingungen im Freiland auf physiologischer
und molekularer Ebene zu charakterisieren und die Reaktionen auf künstliche photoinhibitorische Belichtung
zu testen. Vergleichend dazu sollte die Adaptation dieser Alge an die konstanten Licht- und Temperaturbedingungen
im Labor untersucht werden. Dazu wurden im Labor vorkultivierte und physiologisch definierte
Algenkulturen in drei verschiedene Systeme überführt. Zwei Ansätze verblieben im Labor und adaptierten
jeweils an konstante HL- und LL-Bedingungen. In einem Ansatz befanden sich die Algen in Maarwasser,
im anderen im Nährmedium der Algen. Der dritte Ansatz, in dem die Algen ebenfalls in Maarwasser
überimpft waren, wurde in drei verschiedene Teile des Meerfelder Maars exponiert. Insgesamt wurden vier
Freilandexpositionen unter verschiedenen Lichtklimata durchgeführt.
Unter naturnahen Freilandbedingungen adaptierte Algen zeigten ausgeprägte Adaptationen an die gegebenen
Lichtintensitäten. Drastische Unterschiede hinsichtlich der Adaptation ergaben sich zwischen ” rein“
Starklicht-adaptierten und ” rein“ Schwachlicht-adaptierten Freilandalgen. An Starklichtbedingungen im
Freiland adaptierte Algen zeichneten sich durch eine hohe Sensitivität gegenüber Starklichtbestrahlung
aus. Schon nach kurzer inhibitorischer Belichtung senkten sie ihre Fluoreszenzemission und Sauerstoffproduktion
bei 18.9 W/m 2 dramatisch. Nach Abklingen der Belichtung war dieser zustand innerhalb kurzer
Zeit umkehrbar. Zum Zeitpunkt, an dem die fluoreszenzemission vollständig regeneriert war, hatte sich die
Sauerstoffproduktion bei der genannten lichtintensität noch nicht vollkommen erholt. Fluoreszenzquenching
und -recovery gingen in diesen Algen einher mit der Hin- und Rückumwandlung das Xanthophyllzykluspigmente
Diadinoxanthin und Diatoxanthin. Algen, die an abgeschwächtere Lichtbedingungen adaptierten,
reagierten hinsichtlich Fluoreszenzemission, Sauerstoffproduktion bei 18.9 W/m 2 und Umwandlung der
Xanthophyllzykluspigmente weniger sensitiv. in Starklichtalgen fiel sowohl die Poolgröße der Xanthophyllzykluspigmente
als auch deren Umwandlungsrate auf photoinhibitorische Belichtung sehr viel höher aus als
in Schwachlichtalgen. Darüber hinaus verfügten Starklichtalgen über einen höheren α-Tocopherolgehalt als
Schwachlichtalgen. Algen, die im Maarwasser im Labor gewachsen waren, bildeten auf inhibitorische Belichtung
im HL nur geringfügig (1.2-fach) mehr Diatoxanthin als im LL. Unter vergleichbaren, aber schwankenden
Lichtintensitäten im Freiland gewachsene Algen bildeten dagegen im HL 3.6-fach mehr Diatoxanthin
62

als im LL. Dieser Befund spricht für einen Trainingseffekt des Photosyntheseapparates im Freiland, der vor
allem auf die dort wechselnden Lichtbedingungen zurückgeführt werden muß. Algen, die im Nährmedium
im Labor adaptierten, bildeten im HL auf inhibitorische Belichtung 2.2-fach mehr Diatoxanthin als im LL.
Dies verdeutlicht, daß die Adaptation der Algen im Nährmedium im Vergleich zur Adaptation im Maarwasser
die Bildung von Diatoxanthin auf photoinhibitorische Belichtung fördert. Die Ergebnisse zeigen, daß
der Xanthophyllzyklus als Schutzmechanismus vor Photoinhibition im Freiland eine wichtige Rolle spielt.
Sowohl die Poolgröße als auch die Schnelligkeit der Umwandlung der Pigmente (Wirksamkeit) sind unter
Starklichtbedingungen erhöht. Ein deutlicher Verbrauch an α-Tocopherol auf inhibitorische Belichtung
trat nur in denjenigen Fällen auf, die während ihrer Adaptation zunächst Starklichtintensitäten und dann
Schwachlichtintensitäten ausgesetzt waren.
Trotz der entwickelten und effizient arbeitenden Schutzsyteme, die - wie gezeigt werden konnte - Freilandalgen
unter Starklichtintensitäten effektiv vor einem Photoschaden bewahren, erlitten reine Starklichtalgen
gegenüber Algen, die unter gemäßigteren Lichtintensitäten wuchsen, einen geringfügigen Produktionsverlust.
8.2.6 Untersuchung der Auswirkungen von UV-B und hoher Lichtstrahlung auf die Produktivität
des Phytoplanktons
Bearbeiterin: Dr. Anna-Maria Müller
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. C. Wilhelm
Das Thema steht in engem Zusammenhang mit dem Kohlenstoffkreislauf der Erde, der auf dem Hintergrund
der zukünftigen Klimaentwicklung besondere Relevanz besitzt. Aus bisherigen Ergebnissen ist bekannt, daß
die Primärproduzenten ein erhebliches Anpassungspotential an wechselnde Lichtbedingungen haben, das
im Freiland sogar stärker ausgeprägt ist als unter Laborbedingungen. Die molekularen Mechanismen, die
von den Zellen benutzt werden, um schädliche Wirkungen durch überoptimales Licht oder UV-B Strahlung
abzuwehren, sind vielfältig. In letzter Zeit wird in der Literatur der sogenannte Xantophyllzyklus diskutiert.
So konnte an Laborkulturen gezeigt werden, daß bei Lichtüberschuß das Pigment Diadinoxanthin in Diatoxanthin
umgewandelt wird und infolge dieser Konversion die absorbierte Lichtenergie als Wärmeenergie
dissipiert werden kann. Unter diesen Bedingungen sinkt die Quantenausbeute der Photosynthese und das
absorbierte Licht ist nicht oder nur sehr viel weniger effizient produktionswirksam. Es ist jedoch nicht klar,
• in welchem quantitativen Verhältnis die Leistungsfähigkeit dieses Zyklus mit der Produktivität steht,
• wie die Aktivität dieses Zyklus im Freiland durch Lichtstreß beeinflußt wird,
• ob die Wirksamkeit der Wärmedissipation vom Verhältnis der beiden Pigmente oder von der absoluten
Konzentration an Diatoxanthin abhängt.
Sollte der zweite Fall zutreffen, so wäre die Diatoxanthinmenge ein sicherer Indikator für den Lichtstreßzustand
der Zellen und für eine niedrige Quantenausbeute der Photosynthese. Diese Fragen können in einer
Freilandexposition gezielt angegangen werden. Aufbauend auf den methodischen Verbesserungen und neuen
Meßmöglichkeiten, die im Rahmen der Dissertation von Herrn Lohr etabliert wurden, wurde folgendes
Experiment durchgeführt:
Im Labor vorkultivierte Kulturen wurden im Freiland in verschiedenen Tiefen für mehrere Tage exponiert bis
sich die Zellzahl etwa verdoppelt hat. Nach dieser Zeit sind die Zellen an das Lichtklima adaptiert. Während
der Exposition wurden Lichtintensität und Temperatur in-situ quasi-kontinuierlich gemessen. Von den Zellen
wurden Produktion, Absorptionseigenschaften sowie die Photosynthesekapazität (mittels Fluoreszenz) und
die Xantophyllzykluspigmente untersucht. Danach wurden die Zellen photoinhibitorischem Licht ausgesetzt
und die Diatoxanthinsyntheseleistung der Kulturen aus den verschiedenen Expositionstiefen in der Zeit
63

verfolgt. Der aus dem innerhalb von drei Monaten abgewickelten Experiment gewonnene Datensatz sowie
die zuvor gewonnenen Ergebnisse wurden für eine Veröffentlichung aufbereitet.
8.2.7 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Hilse, C., Wilhelm, C., Kesselmeier, J., Johnston, A.M. and Raven, J.A. (2000): DMSP production of the
nanoalga Prymnesium parvum dependent on environmental factors and the photosynthetic activity of the
cells. In preparation.
Kesselmeier, J., Bartell, U., Blezinger, S., Conze, W., Gries, C., Hilse, C., Hofmann, R., Hofmann, U.,
Hubert, A., Kuhn, U., Meixner, F., Merk, L., Nash, T.H. III, Protoschill-Krebs, G., Velmecke, F., Wilhelm,
C., Andreae, M.O. (1997): Exchange of reduced sulfur compounds between the biosphere and the atmosphere.
In: Transport and Chemical Transformation of Pollutants in the Troposphere (P. Borrell, P.M.
Borrell, T. Cvitas, K. Kelly and W. Seiler, eds.) Vol 4, Biosphere-Atmosphere Exchange of Pollutants and
Trace Substances ( J. Slanina, ed.) pp 320-326, Springer Verlag, Heidelberg.
Wilhelm, C., Bida, J., Domin,A., Hilse, C., Kaiser, B., Kesselmeier, J., Lohr, M. and Müller, A.M. (1997):
Interaction between global climate change and the physiological responses of algae. Photosynthetica 33,
491-503.
8.3 Ökotoxikologie
Univ.-Prof. Dr. R. Nagel und Mitarbeiter (Institut für Zoologie)
8.3.1 Bioakkumulation und Metabolismus von γ-1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexan (Lindan) und
2-(2,4-Dichlorphenoxy)-propionsäure (Dichlorprop) beim Regenwurm Lumbricus rubellus
(Oligochaeta, Lunbricidea).
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Christine Füll
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Nagel
Regenwürmer präsentieren einen quantitativ und qualitativ sehr bedeutenden Teil der Bodenfauna und
sind in ihrem Lebensraum einer Vielzahl an Umweltchemikalien ausgesetzt. In der vorliegenden Arbeit
wurde ein geeignetes Testsystem zur Untersuchung der Bioakkumulation und des Metabolismus bei terrestrischen
Organismen entwickelt. Die Regenwürmer der Art L. rubellus wurden dabei mit kontaminierter
OECD-Erde exponiert. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe der Tracertechnik und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie
durchgeführt.
Bei den Versuchen zur Aufnahmekinetik von 14 C-Lindan und 14 C-Dichlorpop wurden jeweils zwei verschiedene
Konzentrationen eingesetzt. Die 14 C-Aktivität im Boden blieb während der gesamten Versuchszeit
konstant. Wird im Verlauf einer Aufnahmekinetik ein Gleichgewicht zwischen Aufnahme und Elimination
erreicht, so läßt sich aus dem Quotienten der Konzentrationen im Tier und der Umgebung ein sogenannter
Biokonzentrationsfaktor (BCF) berechnen. Dieser ist bei Fischen in einem log Pow-Bereich von 0-6 linear
mit der Lipophilie der Substanz korreliert. Ein Gleichgewichtszustand wurde weder im Falle von Lindan,
noch von Dichlorpop erreicht. Es konnten daher nur Anreicherungsfaktoren (AF) ermittelt werden. Bezogen
auf die jeweiligen Frischgewichte (FG) von Tier und Erde ergab sich ein AF für 14 C-Lindan von ca.
6 (43 d). Die Ermittlung der AF kann aber nur unter Verwendung verschiedener Bezugsgrößen erfolgen.
So ergeben sich beispielsweise bei Normierung auf Wurm-FG und Bodenwasser-Konzentration AF von bis
zu 3000, die in ihrer Größenordnung durchaus vergleichbar sind mit AF (bzw. BCF) aquatischer Organismen.
Bezogen auf FG/FG ergaben sich für 14 C-Dichlorpop ein AF von ca. 15 (56 d). Vergleicht man die
jeweiligen AF bezogen auf Konzentrationen von FG/FG, so liegen die Werte für 14 C-Dichlorpop um ca.
64

Faktor zwei über denen des lipophileren 14 C-Lindans; bei Bezug auf FG- und Bodenwasserkonzentration
sind sie jedoch 20 - 30 mal niedriger. Lindan wird also, obgleich lipophiler, je nach Bezugssystem weniger
stark angereichert. Untersuchungen zur Elimination ergaben, daß bei beiden Substanzen die zuvor aufgenommene
14 C-Aktivität vollständig in den Würmern verblieb. Ein Fütterungsversuch mit 14 C-Dichlorpop
zeigte, daß eine intestinale Aufnahme des Fremdstoffes stattfand, wenngleich ihr Anteil an der gesamten
Bioakkumulation gering war.
Mit Hilfe der Metabolismus-Untersuchungen konnte eine Differenzierung der in der OECD-Erde und den
Regenwürmern gemessenen Radioaktivität in Ursubstanz und gebildete Metabolite erfolgen. Im Versuch
mit Lindan konnten in der Erde zu keinem Zeitpunkt Metbolite nachgewiesen werden, während sich in den
Wurmextrakten Metabolite fanden, die polarer als Lindan sind. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte eine AF
für die Ursubstanz von Lindan von ca. 1,4 berechnet werden. Im Versuch mit Dichlorpop konnte in der
Erde der Hauptmetabolit des Dichlorpops, 2,4-Dichlorphenol nachgewiesen werden. In den Regenwürmern
war der prozentuale Anteil an Dichlorpop und 2,4-DCP vergleichsweise gering. Den Hauptanteil an der
extrahierten 14 C-Aktivität stellte ein polarer Metabolit. Enzymatische und saure Hydrolysen der Wurmextrakte
deuten darauf hin, daß es sich dabei um mindestens zwei verschiedene Konjugate handelt. Anhand
dieser Ergebnisse wurde für die Ursubstanz Dichlorpop ein AF (14 d) von 0,4 berechnet.
Insgesamt konnte gezeigt werden, daß Lumbricus rubellus sowohl das lipophile Lindan als auch das weniger
lipophile Dichlorpop aufnehmen, anreichern und metabolisieren kann. Aufgrund der fehlenden Elimination
von Ursubstanz und deren Metaboliten wird eine einmal erfolgte Belastung mehr oder weniger konserviert.
Die entwickelte Methode ist als Testsystem für die Prüfung der Bioakkumulation von Umweltchemikalien
bei Regenwürmern gut geeignet.
8.3.2 Toxikokinetik von Umweltchemikalien mit unterschiedlichen Wirkmechanismen bei der Regenbogenforelle
(Oncorhynchus mykiss)
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Renate Hryk
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Nagel
Zum besseren Verständnis der Beziehungen zwischen Toxikokinetik und Toxikodynamik von Umweltchemikalien
bei Fischen wurden Aufnahme, Verteilung, Anreicherung, Metabolismus und Elimination von
drei Substanzen mit unterschiedlichen Wirkmechanismen untersucht. Die Versuche zum Metabolismus
der 14C-markierten Testsubstanzen erfolgten mit Hilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie. Zum
Nachweis der Ursubstanzen und der gebildeten Metabolite im Haltungswasser und in den Fischen wurden
Extraktionsmethoden und Trennbedingungen erarbeitet, die eine quantitative und qualitative Erfassung
ermöglichen.
Für das polare Narkotikum 3,4-Dichloranilin betrug der Biokonzentrationsfaktor (BCF) 23. Die Biotransformation
erfolgte überwiegend durch Konjugation in Form einer N-Acetylierung zu 3,4-Dichloracetanilid.
Ferner wurde ein weiterer metabolit detektiert, dessen Identifizierung noch aussteht. Es liegen Anhaltspunkte
vor, daß es sich um das Phase I-Produkt 3,4-Dichlorphenylhydroxylamin handelt. Bis auf die dreifache
Anreicherung des 3,4-Dichloracetanilid im Gehirn der Fische traten keine Unterschiede in der Verteilung von
Ursubstanz und Metaboliten auf. Die stärkste Akkumulation erfolgte in der Galle, der Leber und im Darm
der Fische. 3,4-Dichloanilin und die gebildeten Metabolite wurden innerhalb von 48 h in unbelastetem
Wasser nahezu vollständig ausgeschieden.
2,4-Dinitrophenol, ein Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung, lag bei dem gegebenen pH-Wert des
Haltungswassers in dissoziierter Form vor. Daher wurde diese Substanz sehr langsam aufgenommen und der
BCF betrug lediglich 0.9. Die überwiegende Akkumulation in der Galle deutet auf eine biliäre Elimination
hin. Bedingt durch den hohen Ionisationsgrad fand keine Metabolisierung von 2,4-Dinitrophenol statt.
Innerhalb von 48 h wurden 95 % der ursprünglich aufgenommenen Substanzmenge wieder ausge- schieden.
65

Ein BCF von 32 wurde für den Acetylcholinesterase-Hemmer Methylparathion ermittelt. Oxidation, Dearylierung
und Nitroreduktion sind die wichtigsten metabolischen Reaktionen. Der prozentuale Anteil des
Metaboliten Methylparaoxon war im Vergleich zu 4-Nitrophenol und p-Aminophenol wesentlich geringer.
Die Unterschiede in der Lipophilie zwischen Methylparathion und den gebildeten Metaboliten wirkten sich
entscheidend auf die Verteilung in den Fischen aus. Während im Filet über 80 % der Gesamtmenge als
Ursubstanz vorlagen, betrug der Anteil im Verdauungstrakt nur noch etwa 10 %. Methylparathion und die
gebildeten Metabolite wurden von den Fischen sehr schnell ausgeschieden (t 1/2 = 1.4 h).
Die toxikokinetischen Parameter der untersuchten Testsubstanzen zeigten Unterschiede in der Aufnahme,
Anreicherung, Verteilung, Metabolisierung und Elimination. Nach subletaler Applikation resultierten daraus
unterschiedliche interne konzentrationen. Unter Berücksichtigung der kinetischen Prozesse wurden
letale Körperdosen kalkuliert. Für 3,4-Dichloranilin und Methylparathion lagen die Werte bei 380 und 450
µmol/kg. Die kalkulierten Letaldosen von Methylparaoxon, dem eigentlichen Hemmer der AChE und von
dem Entkoppler 2,4-Dinitrophenol lagen um den Faktor 30 unter den Dosen von 3,4-Dichloranilin und Methylparathion,
die als unspezifisch wirkende polare Narkotika eingestuft werden können. Die Kalkulation
letaler Körperdosen unter Berücksichtigung der Toxikokinetik liefert Hinweise auf das Vorliegen spezifischer
Wirkmechanismen und stellt ein gutes Maß für die Abschätzung der akuten Toxizität dar, die in der
Reihenfolge Methylparaoxon < 2,4-Dinitrophenol < 3,4-Dichloranilin < Methylparathion abnimmt.
8.3.3 Bioakkumulation und Verteilung von 3,4-Dichloranilin und α-Endosulfan im aquatischen
Laborsystem: ein Vergleich zwischen Einzelspezies- und Mikrokosmos-Experimenten.
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Achim Schmitz
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Nagel
Für die Bewertung der Anreicherung von Umweltchemikalien in aquatischen Organismen werden zur Zeit
überwiegend Ergebnisse aus Untersuchungen mit Fischen herangezogen. Diese Vorgehensweise wirft die
Frage nach der Übertragbarkeit der Daten auf andere Wasserorganismen, sowie auf komplexere Bedingungen
im Freiland auf. Vor diesem Hintergrund wurden Einzelspezies- und Mikrokosmos-Experimente mit
den Modellsubstanzen 3,4-Dichloranilin und α-Endosulfan durchgeführt. Die Verwendung der Tracertechnik
machte Untersuchungen zum Metabolismus mittels Hochleistungsflüssigkeitschomatographie (HPLC)
notwendig. Hierzu mußten Extraktionsmethoden und Trennsysteme für den Nachweis der Metabolite in
Organismen und Haltungswasser entwickelt werden.
Die toxikokinetischen Parameter zur Aufnahme, Metabolisierung, Anreicherung und Elimination von 3,4-
Dichloranilin wurden an den aquatischen Invertebraten Daphnia magna, Asellus aquaticus, Planorbarius
corneus, Tubifex tubifex, Limnodrilus hoffmeisteri und Lumbricus variegatus, sowie bei den submersen
Makrophyten Ceratophyllum demersum und Elodea canadensis in Einzelspezies-Tests untersucht.
Die Biokonzentrationsfaktoren (BCF) auf Basis der 14 C-Aktivität betrugen 113 (Ceratophyllum demersum),
79 (E. canadensis), 29 (D. magna), 28 (A. aquaticus), 15 (P. corneus), 35 (T. tubifex), 30 (L. hoffmeisteri)
und 800 (L. variegatus). Die, auf die Ursubstanz bezogenen BCF lagen erwartungsgemäß niedriger, als die
auf die Gesamtradioaktivität basierenden Werte. Die Untersuchungen zur Elimination in fremdstofffreiem
Wasser ergaben z.T. hohe Restradioaktivitäten in den Organismen. So konnten bei Versuchsende (264
h) noch 72 % der zu Beginn der Elimination enthaltenen 14 C-Aktivität im Oliogochaeten L. variegatus
nachgewiesen werden.
Zur Untersuchung der Bioakkumulation unter komplexen, naturnahen Bedingungen wurde ein Aquarienmikrokosmos
mit einem Gesamtvolumen von 40 Litern etabliert. Die Überprüfung der Stabilität in vier Parallelansätzen
über einen Zeitraum von mehr als fünf Monaten ergab eine hohe Übereinstimmung bezüglich
der wasserchemischen Parameter, sowie der qualitativen Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften.
Die aus der Literatur bekannten BCF von 3,4-DCA und α-Endosulfan bei Fischen unterscheiden sich zum
66

Teil um Größenordnungen von den in der vorliegenden Arbeit ermittelten BCF für andere aquatische Organismen.
Für beide Substanzen ist eine Übertragung der Daten weder von Fischen auf Invertebraten, noch
von einer Invertebratenspezies auf die andere möglich. Insbesondere für das mittelpolare 3,4-DCA wird
die Bioakkumulationsneigung in Invertebraten und Makrophyten bei Anwendung des üblichen Bewertungsschemas
unterschätzt.
Die im Rahmen der Arbeit etablierten Mikrokosmen bieten die Möglichkeit zur zeitgleichen Untersuchung
von Bioakkumulationsvorgängen bei mehreren Tier- und Pflanzenspezies unter vergleichsweise naturnahen
Bedingungen. Darüber hinaus liefern die Systeme Informationen zur Verteilung und zum Verbleib der
Testsubstanzen.
8.3.4 Qualifizierung und Quantifizierung von Fremdstoffen in Wasser und Fischen aus unterschiedlich
belasteten Gewässern mittels Gaschromatographie / Massenspektroskopie
Bearbeiter: Dr. Thomas Ternes. Dr. Michael Engel
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Nagel
Bei diesem Projekt handelt es sich um ein Folgeprojekt zur Dissertation von Herrn Ternes, das von Herrn
Dr. Ternes begonnen und von Herrn Dr. Engel fortgesetzt und abgeschlossen wurde.
Von den insgesamt 61 im Rahmen des Disserationsprojektes untersuchten Substanzen konnten lediglich die
mittelpolaren Herbizide im Wasser nachgewiesen werden. Die Konzentrationen lagen für die 13 Herbizide
zwischen 1 und 157 ng/l. Bildet man die Summe, so zeigt sich, daß der Hegbachsee mit 520 ng/l deutlich
stärker belastet ist, als der Neuhofer Altrhein (57 ng/l) und die drei Maare (17 - 33 ng/l). Da in den Fischen
eine Vielzahl von lipophilen Substanzen nachgewiesen werden konnte, deren Konzentrationen im Wasser
unter der Nachweisgrenze lagen, können Fische für solche Chemikalien als Expositionsmonitor dienen.
Von Schwermetallen und lipophilen Chemikalien ist jedoch bekannt, daß sie sich im Sediment von Gewässern
anreichern können. Im Rahmen des Postdoktoranden-Projektes wurde deshalb geprüft, ob dies auch für
mittelpolare Substanzen gilt. Hierzu wurden ” clean-up“-Methoden entwickelt, die eine Bestimmung der
Triazine, Carbonsäureamide und Phenylharnstoff-Derivate im ppt-Bereich ermöglichen. Um diese niedrigen
Nachweis- grenzen zu gewährleisten, müssen Anreicherungsfaktoren zwischen 1000 und 10000 vorliegen.
Zur Detektion wurde ein Gaschromatograph mit massenselektivem Detektor verwendet.
Mit den ausgearbeiteten Methoden wurde das Sediment des Mombacher Leitgrabens in Mainz untersucht.
Nach Abschluß des Projektes sowie einer zeitgleich durchgeführten Diplomarbeit im Fachbereich Biologie,
die sich mit der Belastung des Wassers und der Stichlinge aus diesem Graben befasste, liegen erstmals für
ein kleineres Fließgewässer diejenigen Informationen vor, die für eine Bewertung der Gesamtbelastung mit
organischen Chemikalien notwendig sind.
8.3.5 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Füll, C. und R. Nagel (1994): Bioaccumulation of Lindane (γ-HCH) and Dichlorprop (2,4-DP) by Earthworms
(Lumbricus rubellus). Abstract book of the Third European Conference on Ecotoxicology (SE-
COTOX), 1994, Zürich.
Nagel, R. (1990): Ökotoxikologie- Eine junge Wissenschaft mit hohem Anspruch Biologie in unserer Zeit
20 (6), 299-304
Nagel, R. (1992): Ecotoxicology - an emerging Science. In: Braunbeck, Segner und Hanke (Edit.) Fish in
ecotoxicology and ecophysiology, VCH Verlagsgesellschaft
Oertel, D., Poethke, H.-J., Seitz, A., Schäfers. C. and R. Nagel (1991): Monte-Carlo-Simulation of the
population dynamics of zebrafish in a complex experimental system. Verh. Ges. Ökologie, 20/2, 865-869
67

Schäfers, C., D. Oertel und R. Nagel (1992): Effects of 3,4-Dichloroaniline on Fish Populations with
differing strategies of reproduction. In: Braunbeck, Segner und Hanke (Edit.) Fish in ecotoxicology and
ecophysiology, VCH Verlagsgesellschaft
Schmitz, A. und R. Nagel (1995): Influence of 3,4-Dichloranilin on benthic invertebrats in indoor experimental
streams. Ecotoxicol. Environ. Safety 30 (1), 63-71.
8.4 Populationsbiologie
Univ.-Prof. Dr. A. Seitz und Mitarbeiter (Institut für Zoologie)
8.4.1 Entwicklung eines Schätzverfahrens für die effektive Populationsgröße einer räumlich strukturierten
Population
Bearbeiterin: Dr. Eva-Maria Griebeler
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Seitz
Die effektive Größe einer Population hat sowohl in der Populationsgenetik als auch in der Naturschutzbiologie
eine zentrale Bedeutung, da der Verlust an genetischer Variabilität umgekehrt proportional zu
ihrem Wert ist. Die effektive Größe einer Population wird von verschiedenen Faktoren beeinflußt, z.B.
der Fluktuation der Populationsgröße, von Unterschieden im Fortpflanzungserfolg einzelner Individuen, der
Mutation oder von Genfluß. Von den in der Literatur existierenden Schätzverfahren werden aber immer nur
einzelne Faktoren berücksichtigt. Zum Vergleich der Güte dieser Methoden im Kontext von natürlicheren
Populationen wurde von mir ein stochastisches individuenbasiertes Simulationsmodell entwickelt. Es modelliert
eine einfache monözische diploide Art mit nicht-überlappender Generationsfolge und stochastischem
logistischem Wachstum in den Populationen. Die Simulation der zeitlichen Entwicklung einer Population
ermöglicht die Berechnung der exakten effektiven Populationsgröße zu einem beliebigen Zeitpunkt, die ich
dann mit den von den untersuchten Schätzverfahren berechneten Werten verglichen habe.
Es zeigte sich, daß die in der Literatur existierenden Methoden relativ schlechte Schätzwerte der effektiven
Populationsgröße liefern, falls die von ihnen angenommenen Voraussetzungen in einer Population verletzt
sind. Neben diesen Schwierigkeiten bei der Schätzung der effektiven Populationsgröße, die aus der Nicht-
Erfülltheit der von den jeweiligen Modellen angenommen Rahmenbedingungen resultieren, zeigte sich, daß
auch rein statistische Faktoren einen sehr großen Einfluß auf die Güte der Schätzung von Verfahren, die
auf genetischen Daten basieren, besitzen. So können verschiedene Genorte aufgrund von Zufallsprozessen
(genetische Drift, Mutation etc.) unterschiedliche Schätzwerte liefern und es ist daher die Untersuchung
einer Mindestanzahl Genorte erforderlich, um gute Schätzungen zu erhalten. Auch der Polymorphiegrad der
Genorte, der durch die Wahl des molekularen Markers vorgegeben wird und die Stichprobengröße besitzen
einen sehr starken Einfluß auf die Güte der Schätzwerte. Insgesamt definieren diese beiden Variablen
den Wertebereich aller auf Heterozygotiewerten basierender Schätzer. Während Schätzer der eigenvalue
und variance effective population size für die Praxis unrealistische Stichprobengrößen und Anzahlen von
untersuchten Genorten für vergleichsweise gute Schätzungen benötigten, liefern die Schätzer der inbreeding
effective size wesentlich bessere Ergebnisse unter realistischen Untersuchungsbedingungen (10 Genorte,
25 Individuen). Nur dann, wenn alle Voraussetzungen der Schätzer tatsächlich erfüllt sind, dürfen die
Schätzwerte aber quantitativ interpretiert werden. Ansonsten ist nur eine qualitative Interpretation sinnvoll.
8.4.2 Modellierung strukturierter Insektenpopulationen. Ein vereinfachter Ansatz im Rahmen
der standardisierten Populationsprognose
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Andreas Heidenreich
68

Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Seitz
In diesem Projekt wurde ein Simulationswerkzeug zur Gefährdungsanalyse von räumlich strukturierten Insektenpopulationen,
SISP, entwickelt. Dieses Modell basiert auf der von Poethke et al. (1996) vorgeschlagenen
Kombination der Formulierung des logistischen Wachstums nach Maynard Smith und Slatkin (1973)
mit dem, den Inzidenzmodellen von Hanski (1994) zugrunde liegenden Migrationsmodell. Es wurde individuenbasiert
umgesetzt, um auch demographische Stochastizität abzubilden. Da eine Praxisanwendung
von SISP erzielt werden sollte, wurde das Simulationswerkzeug mit einem Datenbankhintergrund versehen,
in den umfangreiches Recherchematerial zu den Modellparametern für verschiedene arten einfloß. Zudem
wurde eine komfortable Benutzeroberfläche geschaffen, die auch internetfähig ist.
Eine detaillierte Fehleruntersuchung des Simulationswerkzeugs umfaßte zunächst eine Prüfung der unterschiedlichen
Funktionen anhand von Testfällen. Es konnte dadurch gezeigt werden, daß das Simulationsmodell
in der Lage ist eine große Zahl unterschiedlicher Szenarien korrekt abzubilden.
Die Untersuchung der Fehlerbereiche, die aus technisch bedingten Ungenauigkeiten und aus der Methodik
der Parameterschätzung resultieren, zeigte allerdings, daß die Fehler für einen Praxiseinsatz deutlich zu groß
sind. Damit konnte die Kritik von Ludwig (1999) an der Parametergewinnung aus Zeitreihen bestätigt
werden. Ungünstigerweise zeigte eine Sensitivitätsanalyse des populationsgenetischen Modells, daß es
Bereiche sehr hoher Sensitivität im Parameterraum gibt. Die dennoch durchgeführten Praxistests zeigten,
daß das Simulationswerkzeug, abgesehen von den technischen Problemen, einsetzbar ist. Allerdings ist eine
intensive Beratung der Anwender nötig. Als Fazit muß akzeptiert werden, daß das entwickelte Modell zwar
einsetzbar ist, aber aufgrund der Unsicherheit der Modellparameter und der fehlenden Validierbarkeit noch
nicht die erforderliche Sicherheit und Genauigkeit erbringen kann.
8.4.3 Untersuchung von genetischen Austauschprozessen bei der Ausbreitung und Evolution von
periodisch-sozialen und sozialen Spinnen der Familie Eresidae
Bearbeiter: Dr. Jes Johannesen
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Seitz
Cooperative behaviour may evolve by enhancing the genetic identity of group members. Increased group
identity is thought to be the basis for the ” subsocial route“ of social evolution in the spider family Eresidae.
Two processes may promote the coalescence of individuals within populations or breeding groups, namely
philopatry in stable environments and founder events in a stochastic environment. We show that both
processes led to genetic differentiation within and among populations of the subsocial spider Stegodyphus
lineatus. Spiders were investigated by means of allozyme electrophoresis for population genetic structure in
three relatively stable patches and at three environmentally unstable sites. Within the former three sites,
each population was substructured into groups found in different trees and showed evidence of philopatry
and isolation by distance. In contrast, there was no indication of isolation by distance among all six
investigated sites. We were able to discriminate tree groups consisting of sibs and non-sibs, respectively.
Different gene coancestries within groups resulted in unequal sampling leading to high variance among
single locus data, and confounded the within-population differentiation estimates. These results imply that
sex-specific dispersal behaviour (random male mating-dispersal or female group founding) had different
impacts on the population structure.
8.4.4 Genetische Variabilität bei Bachforellen (Salmo trutta forma fario) in Rheinland - Pfalz
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Harald Kleisinger
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Seitz
In der Arbeit wurden Bachforellenpopulationen aus dem Hunsrück, dem Taunus, dem Westerwald, dem
69

Spessart, dem Gebiet der in die Ostsee mündenden Warnow und als outgroup eine Zuchtpopulation mittels
DNA-Fingerprinting mit der Oligonucleotidsonde (GATA)4 auf ihre genetische Variabilität untersucht.
Die hierbei untersuchten Populationen zeigen sich genetisch stark strukturiert. Zwar lassen sich geografische
Untereinheiten, die auch in der Clusteranalyse eng beisammen liegen, zusammenfassen, die Variabilität
innerhalb der gepoolten Populationen ist aber immer noch sehr hoch.
Die Verteilungsmuster der Fragmente in den untersuchten Gewässern weichen stark voneinander ab.
Populations- oder wuchsgebietsspezifische Banden konnten nicht detektiert werden, obwohl innerhalb von
Populationen Banden bei allen Tieren dieser Stichproben vorkamen.
Die gewonnenen BSF-Werte zeigen in allen Populationen keine signifikante Abweichung von einer Normalverteilung.
Abweichungen ergeben sich in der Lage der Mittelwerte, Mediane und der Varianz. Populationen
in kleinen naturnahen Bächen erreichen durchschnittliche mittlere BSF-Werte von 0,5 und darüber. Genetische
Isolation bedingt einen Anstieg der mittleren BSF-Werte auf 0,7.
Die beobachteten Heterozygotiegrade erreichen im Vergleich mit Isoenzymen sehr hohe Werte zwischen 0,3
und 0,9. Naturnahe Populationen zeigen geringere Werte, jedoch ist die gesamte genetische Variabilität
groß genug, um Inzuchtdepression in den vom Genpool her limitierten Populationen entgegenzuwirken.
Die genetischen Distanzen der Populationen zeigen ebenfalls eine deutliche Differenzierung der untersuchten
Geboiete. Allein die Populationen aus dem Hunsrück zeigen keinen Unterschied in bezug auf die
genetischen Distanzen. Korrelationen zwischen genetischer und geografischer Distanz konnten in keinem
Fall beobachtete werden.
Insgesamt zeigen sich die untersuchten Populationen sehr heterogen. Selbst innerhalb der Gewässersysteme
besteht eine Unterteilung in distinkte Subpopulationenh. Die gewonnenen FST -Werte bestätigen dies.
Auf Grund der FST -Werte berechnete effektive Migranten pro Generation zwischen den Populationen erreichen
in keinem Fall Werte über 1, was eine weitergehende Fixierung der genetischen Unterschiede in den
Populationen erwarten lässt.
Die beobachtete Fraktionierung der Gesamtpopulation macht die Erhaltung einer möglichst grossen genetischen
Vielfalt zu einem äusserst schwierigen Unterfangen. Besatzmaßnahmen können diese Vielfalt
durch ihren eingeschränkten Genpool nicht erhalten. Schutz der Habitate, Rückbau von Querverbauungen
und Schutz vor Überfischung scheinen effektive Mechanismen zu sein, um bedrohen Populationen zum
Überleben zu verhelfen und die natürliche genetische Variabilität zu erhalten.
8.4.5 Untersuchung historischen und rezenten Genaustauschs zwischen südostasiatischen Festlands-
und Inselpopulationen ökologisch unterschiedlich angepaßter Froscharten
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Joachim Kosuch
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Seitz
In dieser Arbeit sollen mittels DNA-Sequenzierung die genetischen Austauschprozesse verschiedener
Froscharten auf den Großen Sundainseln (Indonesien) und dem daran angrenzenden malayischen Festland
untersucht werden. Auf der Basis der Allozymelektrophorese wurden bereits erste Hinweise auf
unterschiedliche genetische Differenzierungsmuster gefunden (Kosuch et al. 1994: Genetische Differenzierungsmuster
verschiedener Froscharten (Genus Rana s.l. auf den Großen Sundainseln (Java, Sumatra,
Borneo.- Verh. Dtsch. Zool. Ges. 87:310), die auf zeitlich unterschiedliche Kolonisationsprozesse und
Genflüsse zurückgeführt werden können. Diese ersten Ergebnisse sollen durch die in länger zurückliegende
evolutive Zeiträume auflösende DNA-Sequenzierung zweier mitochondrialer Gene mit unterschiedlichen
Evolutionsraten überprüft und/oder abgesichert werden. Zudem soll neben Vertretern der Gattung Rana
(R. (limnonectes) limnocharis, R. (limnonectes) cancrivorus, R. (limnonectes) kuhlii, R. (limnonectes) blythii,
R. erythraea) mit Polypedatus leucomystax (Rhacophoridae) eine andere, baumbewohnende Froschart
70

in die Untersuchung einbezogen werden, da die meisten Rana-Arten eine obligat terrestrische Lebensweise
besitzen, und somit in ihrem Dispersionsverhalten und damit auch in ihrem Differenzierungsmuster von
baumbewohnenden Arten potentiell abweichen. Anhand von Genstammbäumen der mtDNA-Haplotypen
wird in Verbindung mit den in dieser Region bekannten geographischen Veränderungen versucht, die molekulare
Uhr zu eichen und damit die den genetischen Differenzierungsmustern zugrunde liegenden Prozesse zu
identifizieren. Bezüglich der Gattung Rana wird die Untersuchung außerdem grundsätzliche Informationen
zur Phylogenie liefern, insbesondere, da als potentielle ” Outgroups“ Rana-Arten aus Europa, Nordamerika,
Afrika und Vorderasien einbezogen werden können. Ein weiterer interessanter Aspekt wird der Vergleich der
DNA-Sequenzanalysen mit den bereits durchgeführten allozymelektrophoretischen Analysen sein, der eine
Bewertung hinsichtlich ihrer Aussagekraft auf unterschiedlichen evolutiven Differenzierungsebenen zulassen
sollte.
8.4.6 Modellierung und Simulation der Wirkungen von Fremdstoffen in einem See
Bearbeiter: Dr. Detlef Oertel
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Seitz
Erster Arbeitsschwerpunkt war ein Vergleich zwischen den Ergebnissen des Simulationsprogramms SIM-
PEL und gewonnen Freilanddaten zu physikalischen und biologischen Parametern von fünf verschiedenen
Seen. Diese Daten waren im Rahmen des Forschungsvorhabens ” Auswirkungen von Fremdstoffen auf
die Struktur und Dynamik von aquatischen Lebensgemeinschaften in Labor und Freiland“ von anderen
Mitarbeitern des Projektes über mehrere Jahre gewonnen worden. Um einen Vergleich zwischen diesen
Freilanddaten und den jetzigen Simulationen zu ermöglichen, wurden die Daten zusammengefaßt und in
ein einheitliches, der elektronischen Datenverarbeitung zugängliches Format gebracht. Desweiteren wurden
die aus den Zählungen von Zooplanktonorganismen gewonnen Abundanzdaten unter Berücksichtigung von
Literaturwerten und neuen Untersuchungen aus dem genannten Projekt in Daten zur Dynamik der Biomassen
verschiedener auqatischer Funktionsgruppen konvertiert. Das entsprechende Datenpaket (inklusive
der angepassten Auswertungs- und Darstellungs-Software) konnte anderen Mitarbeitern für die weitere
Anwendung bei anderen Fragestellungen zu Verfügung gestellt werden.
Der Vergleich zwischen den so gewonnen Freilanddaten und den Simulationen zeigte gravierende Unterschiede
auf. Zum Teil sind dies Effekte, für die die Ursache in Problemen während der Datenerhebung
oder meteorologischen Besonderheiten während der Erhebung zu suchen sind. Daneben leiten sich aus dem
Vergleich auch kritische Fragestellungen zu dem verwendeten Modell ab. Diese Fragestellungen lassen sich
im wesentlichen in drei Bereiche aufspalten:
1. Parameterprobleme: Der bisher verwendete Parametersatz war in manchen Annahmen von der Realität
zu weit entfernt. Entsprechend wird inzwischen mit einem verbesserten Parametersatz gearbeitet.
2. Modellstrukturprobleme: Die bisher verwendete Modellstruktur ist nicht in der Lage, einige im Freiland
beobachtete Phänomene zu erklären (wie z.B. metastabile kopfständige Biomassenpyramiden).
Hier werden Überlegungen zur einer Erweiterung des Modells (Bacterial-Loop, Schichten-Modell)
angestellt. Dabei sind jedoch die Schwierigkeiten unter 3. zu beachten
3. Probleme der ” Modellierungsphilosophie“: Die genaue Untersuchung des Verhaltens verschiedener
Modelle zur Simulation auqatischer Systeme zeigte, daß aufgrund der vorhandenen nichtlinearen
Modellgleichungen das Systemverhalten qualitativ empfindlich auf geringfügige Änderungen der verwendeten
Parameter oder Modellgleichungen reagiert. Die unter Punkt 2 diskutierten Erweiterungen
des Modells tragen tendenziell zur Verschärfung dieses Problems bei. Es werden daher grundsätzlich
Veränderungen des Modellierungsansatzes (z.B. Modelle mit sich dynamisch optimierenden Funktionsgruppen)
diskutiert.
71

8.4.7 Genetische Populationsstruktur und Arealsystemanalyse des Silbergrünen Bläulings Polyommatus
coridon und des Rundaugen-Mohrenfalters Erebia medusa
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Thomas Schmitt
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Seitz
Die populationsgenetischen Strukturen der Tagfalter P. coridon, P. icarus, E.medusa und M. jurtina wurden
über einen großen Bereich ihrer europäischen Verbreitungsgebiete mittels Allozymelektrophorese untersucht.
Zusätzlich wurden P. hispana, P. bellargus und verschiedenen Erebia spec. analysiert. Folgende Ergebnisse
wurden erzielt:
P. coridon besitzt zwei genetische Großgruppen, die vermutlich durch Differenzierung im adriatomediterranen
(P. coridon apennina) und im pontomediterranen Bereich (Nominatform) entstanden sind.
Die Kontaktzone zwischen beiden Taxa verläuft nordöstlich des Kyffhäuser, entlang der Ostgrenze
Thüringens, dann folgend den Kämmen des Erzgebirges und des Bayerischen Waldes oder Böhmerwaldes.
Im deutsch-österreichischen Grenzgebiet wird die Donau überschritten. In den Alpen verläuft die Grenzlinie
etwa entlang der westlichen Wasserscheiden der nach Osten entwässernden Flußsysteme Drau und Save.
Die genetische Verarmung der süddeutschen Populationen von P. coridon apennina wird als Auswirkung
des Flaschenhalses bei der Durchwanderung der Burgundischen Pforte interpretiert.
Die populationsgenetische Struktur von P. coridon apennina im westrheinischen Deutschland folgt keinem
geographischen oder erkennbaren historischen Ordnungsprinzip. P. c. coridon zeigt kontinuierlichen Verlust
der durchschnittlichen Allelzahl von Westungarn bis nach Brandenburg. Für dieses Taxon konnte isolation
by distance nachgewiesen werden. P. bellargus besitzt drei genetische Großgruppen, die vermutlich das
atlanto-, adriato- und pontomediterrane Refugium repräsentieren. P. icarus zeigt keine Auftrennung in
genetische Gruppen, sondern bildet ein großes isolation by distance System über ganz Europa aus. Deshalb
war diese Art während des Würm-Glazials wohl nicht in verschiedenen Refugien isoliert, sondern besiedelte
ein nicht disjunktes europäisches Areal.
Die untersuchten Populationen von E. medusa teilen sich auf vier genetische Großgruppen auf. Die genetisch
reichhaltigste (Nominatform) in Tschechien, der Slowakei und Nordost-Ungarn leitet sich aus einem
südosteuropäischen Refugium ab.
Die Nominatform von E. medusa spaltet sich in zwei genetische Linien auf, die unterschiedliche postglaziale
Immigrationslinien nördlich und südlich der Karpaten repräsentieren dürften. E. medusa brigobanna, die
Frankreich und Deutschland besiedelt, differenzierte sich glazial in einem Rückzugsgebiet am Westalpenrand,
das teilweise Südwestdeutschland erreicht haben könnte.
Am Ostalpenrand differenzierte sich ein weiteres Taxon, das wahrscheinlich als E. medusa loricarum zu
bezeichnen ist, und das im westlichen Ungarn nachgewiesen wurde.
E. medusa hippomedusa ist ein rein südalpines Taxon, das sich vermutlich durch glaziale Isolation im
Südalpenbereich herausbildete. Phänotypisch ähnlich erscheinende Individuen von Hochlagen der Gebirge
(z.B. Feldberg im Schwarzwald) außerhalb der Südalpen, müssen den jeweiligen anderen Subspezies
zugerechnet werden.
M. jurtina weist im Untersuchungsgebiet zwei genetische Großgruppen auf. Dies ist wahrscheinlich auf
zwei unterschiedliche Refugialgebiete zurück zu führen, ein atlantomediterranes (M. jurtina hispulla) und
ein (adriato)-pontomediterranes (Nominatform). Die Nominatform konnte in Deutschland, Norditalien,
der Slowakei und Ungarn nachgewiesen werden. M. jurtina hispulla besiedelt die Iberische Halbinsel und
Frankreich.
Weder für M. jurtina hispulla noch für die Nominatform konnten unterhalb der Subspeziesebene weitere
Strukturierungen festgestellt werden, die geographische Gegebenheiten oder Auswirkungen der postglazialen
Arealexpansion reflektieren würden. Für P. coridon, E. medusa und M. jurtina konnten zum Ende der
72

jeweiligen Generationszeit unterschiedlich ausgeprägte Verschiebungen der genetischen Populationsstruktur
festgestellt werden.
Die untersuchten Taxa der Untergattung Meleageria scheinen anhand von Allozymuntersuchungen phylogenetisch
jung zu sein und ihre Differenzierung weitgehend in der zweiten Hälfte des Pleistozän durchlaufen
zu haben. Die Radiation der Mohrenfalter hingegen erscheint stammesgeschichtlich zum Teil erheblich
älter, so daß der Beginn von Differenzierungsprozessen bis zum Anfang des Pleistozän und eventuell bis ins
Pliozän vermutet werden.
8.4.8 Austauschprozesse zwischen und genetische Struktur von Flußbarschpopulationen
Bearbeiter: Dr. Andreas Wagner
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. Seitz
Populationen des Flußbarschs (Perca fluviatilis L.) werden aufgrund mangelnder kommerzieller Nutzbarkeit
nicht direkt durch Besatzmaßnahmen anthropogen in ihrer genetischen Struktur beeinflußt. Diese Art ist
deshalb geeignet, die natürlichen Austauschprozesse in und zwischen Populationen mit populationsgenetischen
Methoden zu untersuchen. Die weite Verbreitung des Flußbarsches, der mit Ausnahme sehr schnell
fließender Gewässer alle Gewässertypen, einschließlich der Brackwasserbereiche besiedelt, kennzeichnet ihn
als eine euryöke Art. Flußbarsche sind in ganz Eurasien einschließlich der Britischen Inseln, jedoch ohne
Spanien und Italien, vertreten.
Frühere enzymelektrophoretische Studien am Flußbarsch haben diese Art, im Gegensatz zu der aufgrund
seiner euryöken Verbreitung erwarteten hohen Polymorphie, als sehr monomorph mit geringen räumlichen
Differenzierungen charakterisiert. Dies könnte zum Beispiel auf eine kurze Verbreitungsgeschichte mit
einem europaweiten Austausch zwischen den Populationen zurückzuführen sein. Dies würde erklären,
warum erstens generell nur eine geringe genetische Polymorphie zu beobachten ist und zweitens keine
regionalen Muster erkennbar sind.
Um diese Hypothese zu überprüfen wurden Barsche aus unterschiedlichen Regionen und unterschiedlichen
Gewässertypen untersucht (Flußpopulationen aus Saar, Mosel und Spree und Seepopulationen aus dem
oligotrophen Weinfelder und dem eutrophen Meerfelder Maar in der Eifel). Zudem wurde als Untersuchungsmethode
nicht die Enzymelektrophorese, sondern das DNA-Fingerprinting gewählt, da damit sowohl
technisch mehr Polymorphismen nachgewiesen werden können (ca. dreimal mehr auf der DNA-Ebene als
bei Proteinen), aber auch ein höherer Grad an genetischem Polymorphismus erwartet werden kann, da
durch das DNA-Fingerprinting nichtkodierende Regionen der DNA erreicht werden, die wahrscheinlich selektionsneutral
sind.
Alle fünf Populationen ließen sich aufgrund der Zahl gemeinsamer Banden im DNA-Fingerprint (Band-
Sharing-Frequenzen, BSF) signifikant voneinander trennen. Die Fluß- und Seepopulationen unterschieden
sich bezüglich der Häufigkeitsverteilung der Fragmentlängen. Insbesondere fehlten in den Seepopulationen
kurze Fragmente (3,7 bis 4,2 kB). Die Populationen aus der Spree zeigten besonders in diesem Bereich
ihr Maximum der Fragmenthäufigkeit. Diese Charakterisierung läßt den Schluß zu, daß die Habitatqualität
(Fluß bzw. See) die genetische Struktur der Populationen stärker beeinflußt hat als die regionale Verbreitung.
Eine Clusteranalyse der BSF-Werte läßt ähnliche, jedoch differenziertere Schlüsse zu. Es bestätigt
sich, daß die beiden Seepopulationen genetisch am ähnlichsten sind und auf einem gemeinsamen Zweig
des Phänogramms liegen. Es ist jedoch auch eine geographische Zuordnung der Populationen erkennbar:
Saar- und Moselpopulationen sind deutlich (etwa in gleichem Maß wie die beiden Seepopulationen) von
der Spreepopulation abgesetzt. Das aktuell beobachtbare Verteilungsmuster der genetischen Ähnlichkeiten
kann demnach durch ein Zusammenwirken von mindestens zwei Prozessen verstanden werden: Habitateigenschaften
(durch Selektion oder genetische Drift in den weitgehend isolierten Teilpopulationen) und
eingeschränkter Genaustausch aufgrund der regionalen Verteilung.
73

8.4.9 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Amler K., Heidnreich A., Kähler G., Poethke H.-J. und J. Samietz (1999): Die Standardisierte Populationsprognose
(SPP): eine Anwendung der Zoologischen Datenbanken am Beispiel des NSG ”Leurtratal”(Thüringen).
- In: Henle K., Amler K., Kaule G., Bahl A. und J. Settele (Hrsg.): Verinselung von
Lebensräumen - Populationsbiologie in der Naturschutzpraxis, Ulmer, Stuttgart.
Gottschalk E., Griebeler E. M., Heidenreich A., Poethke H. J. und D. Schmeller (1999): Von der Biologie
einer Art zur Ermittlung des Flächenbedarfs einer überlebensfähigen Population - das Beispiel der Westlichen
Beißschrecke (Platycleis albopunctata). - NNA-Berichte 2/99: 41-45.
Gottschalk E., Schmeller D. und A. Heidenreich (1999): PVA-Fallbeispiel 3: Analyse der Gefährdungsursachen
von Tiergruppen mittlerer Mobilität am Beispiel der Westlichen Beißschrecke (Platycleis albopunctata).
- In: Henle K., Amler K., Kaule G., Bahl A. und J. Settele (Hrsg.): Verinselung von Lebensräumen
- Populationsbiologie in der Naturschutzpraxis, Ulmer, Stuttgart.
Griebeler, E.M. (1999): A comparison of different methods estimating the effective population size. Abstractband
zur 4th European Conference on Mathematics Applied to Biology and Medicine, Amsterdam:
208-209.
Griebeler, E.M. (1999): Estimating the effective size of a single ideal population. Tagungsband zum
Seventh congress of the European Society for Evolutionary Biology, Barcelona: II-128.
Griebeler, E.M. und A. Seitz (eingereicht): A comparison of two methods estimating the effective size of
a Wright-Fisher population. Heredity.
Heidenreich A., Poethke H.-J. und A. Seitz (1997): Ableitung der minimalen langfristig überlebensfähigen
Populationsgrößen (MVP) von Insekten aus längerfristigen Abundanzbeobachtungen. Verh. der DZG: 237.
Heidenreich A., Poethke H.-J., Halwart M und A. Seitz (1997): Simulation der Populationsdynamik von
Pomacea canaliculata (Prosobranchia) zur Bewertung von Managementmaßnahmen. - Verh. der Ges. für
Ökologie 27: 441-446.
Heidenreich A. und K. Amler (1999): Ein vereinfachtes Prognoseverfahren für die Naturschutzpraxis - Die
Standardisierte Populationsprognose (SPP). - NNA-Berichte 2: 3-12.
Johannesen, J. and Y. Lubin (1999). Group founding and breeding structure in the subsocial spider
Stegodyphus lineatus (Eresidae). Heredity 82: 677-686.
Johannesen, J. and Y. Lubin (1999). Genetic analysis of breeding groups in the subsocial spider Stegodyphus
lineatus (Eresidae). Zoology 102, Suppl. II (DZG 92.1): 29.
Kosuch, J., M. Veith und A. Seitz (1994): Genetische Differenzierungsmuster verschiedener Froscharten
(genus Rana s.l.) auf den Großen Sundainseln (Java, Sumatra, Borneo; Indonesien). Verh. Dtsche. Zool.
Ges. 88.1:36
Kosuch, J., A. Ohler und M. Veith (1997): Genetic and morphological variation in Limnonectes limnocharis
(Gravenhorst, 18299 from the Great Sunda Islands (Sumatra, Java, Borneo). In: Rocek, Z. und Hart, S.:
Abstracts of the Third World Congress of Herpetology 1997:249
Kosuch, J., M. Vences und W. Böhme (1999): Mitochondrial DNA sequence data support the allocation
of Greek mainland chameleons to Chameleo africanus. Amphibia-Reptilia 20: 355-448
Malkmus, R., J. Kosuch und J. Kreutz (1999): Die Larve von Staurois tuberulinguis, Boulenger 1918. Eine
neue centrolenidenähnliche Kaulquappe aus Borneo (Anura: Ranidae). Herpetozoa 12 (1/2):17-22
Malkmus, R. und J. Kosuch (1999): Description of the tadpole of Leptolalax arayai (Matsui, 1997) (Amphibia:
Anura: Megophryidae). Lacerta 57(5): 161-165
Poethke H. J., Griebeler E. M. und Heidenreich (1998): Die Rolle populationsökologischer Modelle in der
74

Langzeitforschung und als Prognoseinstrument im Naturschutz. - Schriftenreihe für Landschaftspflege und
Naturschutz 58: 47-62.
Schmitt, T. und A. Seitz (1999): Glacial differentiation and postglacial expansion of Polyommatus coridon
(Lepidoptera: Lycaenidae). - Zoolology 102 Suppl. II: 35.
Schmitt, T. und A. Seitz (1999): Analyse der genetischen Struktur und des Arealsystems mitteleuropäischer
Populationen von Erebia medusa (Lepidoptera: Nymphalidae). - Verh. Ges. Ökologie 29: 381-387.
Schmitt, T. und A. Seitz (2000): Phylogeography of European populations of Erebia medusa (Lepidoptera:
Nymphalidae). - Zoolology 103 Suppl. III: 50.
Schmitt, T. (accepted): Influence of the ice-age on the genetics and subspecific differentiation in butterflies.
- EIS-Symposium in Millas, August/September 1999.
Schmitt, T. (accepted): Glaziale Refugien und postglaziale Arealausweitung von Polyommatus coridon
(Lepidoptera: Lycaenidae). - Verh. Westd. Entomol. Tag 1999.
Schmitt, T., Varga, Z. und A. Seitz (accepted): Forests as dispersal barriers for Erebia medusa (Nymphalidae,
Lepidoptera). - Basic Appl. Ecol.
Settele J., Amler K., Heidenreich A., Hermann G. und H. Reck (1999): Naturwissenschaftliche Anforderungen
und Grenzen der standardisierten Populationsprognose. - In: Henle K., Amler K., Kaule G., Bahl
A. und J. Settele (Hrsg.): Verinselung von Lebensräumen - Populationsbiologie in der Naturschutzpraxis,
Ulmer, Stuttgart.
Veith, M., J. Kosuch, R. Feldmann, H. Martens und A. Seitz (2000): A test for correct species declaration
of frog legs imports from Indonesia into the European union. Biodiversity and Conservation 9:333-341
Veith, M., J. Kosuch, A. Ohler und A. Dubois (in press): Systematics of Fejervarya limnocharis (Gravenhorst,
1829) (Amphibia: Anura: Ranidae). 2. Morphological and molecular variation in frogs from the
Great Sunda Islands (Sumatra, Java, Borneo) with the definition of two species. Alytes
Vences, M., J. Kosuch, S. Lötters, A. Widmer, K.-H. Jungfer, J. Köhler und M. Veith (2000): Phylogeny
and classification of poison frogs (Amphibia: Dendrbatidae) based on mitochondrial 16S and 12S ribosomal
DNA gene sequences. Molecular Phylogenetics and Evolution 15(1):34-40
Vences, M., F. Glaw, J. Kosuch, I. Das und M. Veith (in press): Polyphyly of Tomopterna (Amphibia:
Ranidae) and ecological biogeography of Malagasy relict amphibian groups. Mémoires de Biogeographie
(Proceedings of the second int. Syposium ”Biogeographie de Madagascar”; W. Laurenco ed.)
Vogel K. und A. Heidenreich (1999): Einsatz der Standardisierten Populationsprognose (SPP) in der regionalen
Schutzgebietsplanung am Beispiel von Halbtrockenrasen an der Fränkischen Saale (Unterfranken /
Bayern). - In: Henle K., Amler K., Kaule G., Bahl A. und J. Settele (Hrsg.): Verinselung von Lebensräumen
- Populationsbiologie in der Naturschutzpraxis, Ulmer, Stuttgart.
Wagner A.R. (1995): Populationsgenetische Analyse von Flußbarschpopulationen mittels DNA-Fingerprinting.
Verh. Ges. Ökologie 24: 169-174
75

9 Projekte am Fachbereich 22 (Geowissenschaften)
9.1 Ökologie und Planung
Prof. Dr. V. Heidt, Univ.-Prof. Dr. M. Domrös und Mitarbeiter (Geographisches Institut)
9.1.1 Ökosystemare Bewertung des Bodens - Integrierter Bodenschutz anhand systematisch
entwickelter Bodenqualitätsziele - Ein Betrag zur Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP)
Bearbeiterin: Dipl.-Geogr. Sabine Heinig
Hauptbetreuer: Prof. Dr. V. Heidt
Im Auftrag des Amtes für Grünanlagen und Naherholung der Stadt Mainz wurde die Universität Mainz
1993 mit der Bearbeitung der Stadtbiotopkartierung betraut. Die Arbeitsgruppe an der Universität Mainz
setzt sich aus Fachleuten des Geographischen Institutes (Projektleitung und Ansprechpartner PD Dr. V.
Heidt), des Institutes für Spezielle Botanik (Dr. W. Licht) und des Zoologischen Institutes (PD Dr. G.
Eisenbeis) zusammen.
Neben einer flächendeckenden Biotopkartierung nach dem Schlüssel zur Kartierung nach Vegetations- und
Nutzungsformen werden gleichzeitig die abiotischen und ästhetisch / anthropogenen Faktoren des Stadtgebietes
erfaßt.
Das innovative an dem gewählten Ansatz, die Stadtbiotopkartierung von unterschiedlichen Fachdisziplinen
durchführen zu lassen sowie nicht nur rein biotische Aspekte zu berücksichtigen, ist, daß über die
Entwicklung einer ökosystemaren Zielkonzeption eine naturschutzfachliche Bewertung der natürlichen Ressourcen
stattfindet. Neben der rein naturwissenschaftlichen Erfassung und Deskription und der naturschutzfachlichen
Bewertung, werden über die Ermittlung von Belastungspotentialen und unterschiedlicher
Wirkungsfaktoren (Vorbelastung und Wirkung von anthropogenen Beeinträchtigungen), Handlungsempfehlungen
zum nachhaltigen Schutz der Umweltmedien im Mainzer Stadtgebiet erarbeitet. Im Rahmen der
zu erfassenden Umweltmedien kommt dem Boden aufgrund seiner zentralen Stellung im Ökosystem sowie
seiner Bedeutung als ” Integral“ der abiotischen, biotischen und ästhetisch/anthropogenen Funktionen eine
zentrale Bedeutung zu. Er bestimmt die Biotopstruktur eines Raumes mit.
Biotopkartierungen sind planerische Grundlagen für die Mitwirkung an der Umsetzung der Ziele des Naturschutzes
und damit auch des Bodenschutzes. Bislang fehlen geignete, anerkannte und handhabbare
Verfahren zur Erfassung und Bewertung der Böden. Die Erfassung und ökosystemar ausgerichtete Bewertung
von Boden ist allerdings die Grundlage für einen ökologisch-naturräumlich orientierten Bodenschutz.
Einem flächendeckend (z.B. bezogen auf ein Stadtgebiet) konzipierten, vorsorgenden Bodenschutz kommt
demnach eine zentrale Bedeutung zu. Stadtbiotopkartierungen werden meist mit der Zielsetzung durchgeführt,
eine möglichst große Biotopvielfalt in dem jeweiligen Stadtgebiet zu erhalten. Somit müssen
gerade in der an Arten- und Strukturvielfalt naturgemäß reichen Stadt-Kulturlandschaft die Böden mit
in die Überlegungen einbezogen werden. So erfolgt im Rahmen der Stadtbiotopkartierung die Erfassung
der Bodengesellschaften, -typen, -spezifika, die Anwendung der entwickelten Bodenbewertungssystematik
unter Berücksichtigung der
• biotischen Faktoren (Verknüpfung der Vegetationsausprägung mit dem Ausgangs- substrat)
• abiotischen Faktoren
• anthropogenen Beeinflussung (Einwirkungsfaktoren und deren Auswirkungen), sowie die Zusammenstellung
von Umweltqualitätszielen für definierte Raumein- heiten und die Bewertung des Naturraumpotentials
des Bodens.
76

Dieser Ansatz liefert einen wesentlichen Beitrag zur Durchführung von Umweltverträglichkeitsprüfungen.
Im Rahmen der Umweltverträglichkeitsstudie sollen die Auswirkungen von bestimmten Vorhaben (anthropogene
Beeinflussungen) auf die Umweltmedien bewertet werden.
Biotopkartierungen dienen als Datenbasis für die Durchführung von UVP und anderer kommunaler Planungen.
Sie sind aber auch als methodisches Konzept zur Ermittlung, Beschreibung und Bewertung
ökosystemarer Zusammenhänge sowie zur Klassifizierung spezifischer Belastungssituationen und x-faktoren
in dem abgesteckten Untersuchungsraum (Stadt Mainz) zu verstehen.
Bei diesem, im Rahmen der Stadtbiotopkartierung entwickelten Leitfaden mit ökosystemar ausgerichteten
Bewertungsmaßstäben für sämtliche Umweltmedien und deren Wechselwirkungen sowie mit Beurteilungskriterien
für die Einschätzung von Wirkungen und Austauschprozessen bedingt durch anthropogene
Beeinträchtigungen (chemischer, physikalischer oder mechanischer Art) auf die Umwelt, kommt der Interdisziplinarität
eine wesentliche Rolle zu.
9.1.2 Eine neue Methode der Informationsverknüpfung zur Klassifizierung der Landnutzung auf
der Grundlage hochauflösender Satellitenbilddaten am Beispiel von Landau und Umgebung
Bearbeiterin: Dipl.-Geogr. Wanxiao Sun
Hauptbetreuer: Prof. Dr. V. Heidt
Satellite image classification involves designing and developing efficient image classifiers. With satellite
image data and image analysis methods multiplying rapidly, selecting the right mix of data sources and
data analysis approaches has become critical to the generation of quality land-use maps.
In this study, a new postprocessing information fusion algorithm for the extraction and representation of
land-use information based on high-resolution satellite imagery is presented. This approach can produce
land-use maps with sharp interregional boundaries and homogeneous regions. The proposed approach is
conducted in five steps.
1. A GIS layer - ATKIS data - was used to generate two coarse homogeneous regions, i.e. urban and
rural areas.
2. A thematic (class) map was generated by use of a hybrid spectral classifier combining Gaussian
Maximum Likelihood algorithm (GML) and ISODATA classifier.
3. A probabilistic relaxation algorithm was performed on the thematic map, resulting in a smoothed
thematic map.
4. Edge detection and edge thinning techniques were used to generate a contour map with pixel-width
interclass boundaries.
5. The contour map was superimposed on the thematic map by use of a region-growing algorithm with
the contour map and the smoothed thematic map as two constraints.
For the operation of the proposed method, a software package is developed using programming language
C. This software package comprises the GML algorithm, a probabilistic relaxation algorithm, TBL edge detector,
an edge thresholding algorithm, a fast parallel thinning algorithm, and a region-growing information
fusion algorithm. The county of Landau of the State Rheinland-Pfalz, Germany was selected as a test site.
The high-resolution IRS-1C imagery was used as the principal input data.
9.2 Altlasten
Univ.-Prof. Dr. J. Preuß und Mitarbeiter (Geographisches Institut)
77

9.2.1 Standortdifferenzierte Abschätzung von Versickerungsraten für Einzugsgebiete mittlerer
Größe in Hessen als Beitrag zur Ermittlung von Stofffrachten aus dem Boden
Bearbeiterin: Dipl.-Geogr. Anna Mense-Stefan
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. J. Preuß
Ziel der Untersuchung ist die Berechnung von Versickerungsraten bis zur Untergrenze des Wurzelraums
für mittlere bis große Einzugsgebiete für das Bundeslandes Hessen, um die lokal verfügbare potentielle
Lösungsmittelmenge abschätzen und flächenhaft darstellen zu können. Danach wird eine vergleichende
Bewertung von Rüstungsaltstandorten vorgenommen.
Grundlage der Berechnung sind standortdifferenzierte langfristige Wasserhaushaltsbilanzen. Der neue Ansatz
liegt darin, die Versickerung auf der Grundlage eines konzeptionellen geoökologischen Modells für einen
Raum mittlerer Größe (20.000 km 2 ) zu berechnen.
Nach der Aufarbeitung der theoretischen Grundlagen wurde ein konzeptionelles Modell entwickelt, mit
dem die Versickerung an der Untergrenze des Wurzelraums berechnet wird. Die zur Charakterisierung des
standorttypischen Wasserhaushaltes erforderlichen Daten, die in die Modellierung eingehen, wurden von
Hessischen Landesämtern sowie dem Deutschen Wetterdienst (DWD) beschafft. Satelliten- und Luftbilder
wurden von verschiedenen Stellen erworben. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden diese Daten so aufbereitet,
dass sie in die flächenbezogene Berechnung der Versickerungsraten einbezogen werden können. Die
Aufbereitung und Analyse der Daten umfasste dabei die folgenden Schritte.
Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Einfluss unterschiedlicher Oberflächenbedeckung auf den
Versickerungsprozess. Aus diesem Grund wurde die Oberflächenbedeckung Hessens anhand digitaler
Satellitenbild- und Luftbildauswertungen ermittelt. Als weitere wesentliche Datengrundlage wurde ein
digitales Höhenmodell des Hessischen Landesvermessungsamtes verwendet. Aus diesem wurden die Einzugsgebiete
mittlerer Größe sowie Hangneigungs- und Expositionskarten abgeleitet. Diese Daten wurden
in einem nächsten Schritt zu einer höhenabhängigen Regionalisierung der Klimadaten verwendet. Dabei
handelt es sich um Daten zur Temperatur und relative Luftfeuchte um 14 Uhr (DIN 19685), die an allen
Klimastationen des DWD gemessen werden. Sie wurden mit dem statistischen Verfahren multipler Regressionen
zu Flächendaten aufbereitet und in die Berechnung der potentiellen Evapotranspiration nach
dem Ansatz von HAUDE eingebracht. Bei Waldbeständen wurden zusätzlich die Interzeptionsraten für
Waldgebiete berechnet. Sie wurden anhand der Niederschlagsverteilung, die in Form von aufbereiteten
Flächendaten des DWD vorliegt, und der Oberflächenbedeckung abgeschätzt.
Das Hessische Landesamt für Bodenforschung (HLfB) stellt für die Modellierung digitale Bodendaten Gesamthessens
mit Angaben zu Bodenart, Lagerungsdichte, Humus- und Steingehalt sowie zur nutzbaren
Feldkapazität im durchwurzelbaren Raum zur Verfügung. Alle diese Teilergebnisse und Datensätze werden
in ein Geographisches Informationssystem eingebunden und untereinander über Verknüpfungsregeln in Beziehung
gesetzt. Das Endergebnis ist eine digitale Karte der Versickerungsraten in Hessen. Diese soll bei
der Bewertung von kontaminierten Standorten zur Beurteilung der relativen potentiellen Schadstofffracht
herangezogen werden.
9.3 Sedimentologie, Geochemie
Univ.-Prof. Dr. R. Gaupp, Univ.-Prof. Dr. R. Oberhänsli und Mitarbeiter (Institut für Geowissenschaften)
9.3.1 Mobilität von Seltenen-Erd-Elementen (SEE) und deren Fixierung in Karbonatphasen
Bearbeiter: Dr. Thomas Deutrich, Dipl.-Geol. Berndt Hartmann
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Gaupp
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Im Gegensatz zum magmatisch-pegmatisch-hydrothermalen Bildungsbereich sind die Lösungs-, Transportund
Fixierungsmechanismen von SEE-Mineralen unter oberflächennahen Bedingungen (niedrige Temperaturen
und Drucke) bislang kaum untersucht worden. Die Mobilität von SEE im sedimentären und diagenetischen
Bereich wird bisher als relativ gering angesehen. Neueste Vorkommen rezenter, oberflächennah
gebildeter SEE-Karbonate in Südost-Tunesien stellen derartig pauschale Aussagen allerdings in Frage. Die
SEE, zu denen neben Scandium und Yttrium die Gruppe der Lanthaniden gehört, besitzen z.T. ähnliche
Eigenschaften und Verbindungsformen wie die Actiniden, zu denen u.a. Uran und Thorium gehören. Deshalb
könnten neue Erkenntnisse über ihre Mobilität im Bereich der Hydro- und Biosphäre von Bedeutung
sein.
Probenmaterial von SEE-mineralführenden Sandsteinen wurde durch die Erdgasindustrie zur Verfügung
gestellt. An diesem Probenmaterial, das aus Tiefbohrungen des Norddeutschen Beckens stammt ( ” Rotliegend“-Material),
wurden bereits erste Untersuchungen durchgeführt. In der Vorbereitungsphase des
Projektes (Postdoktorandenstipendium Deutrich) wurde Herr Hartmann in sedimentpetrographische und
mineralchemische Untersuchungsverfahren eingeführt. Im einzelnen wurden folgende Arbeitsschritte durchgeführt:
• Bereitstellung von Literatur zur Rotliegend-Diagenese im Norddeutschen Becken
• Betreuung am Licht- und Rasterelektronenmikroskop
• Betreuung bei Probenpräparation für Röntgendiffraktometrie und Mikrosonde
An Sandsteinproben wurde Herr Hartmann mit charakteristischen Diagenese-Typen des Rotliegenden vertraut
gemacht. Dabei wurden sulphatische, karbonatische und silikatische Neubildungen, sowie Lösungs-,
Verdrängungs- und Alterationserscheinungen vorgestellt. Für Diagenesevorgänge verantwortliche Prozesse
wurden diskutiert und erste Versuche unternommen, paragenetische Abfolgen zu definieren. Weiterhin
wurden Untersuchungen durchgeführt zur Sandstein-Granulometrie, der Beschaffenheit des Porenraumes
sowie zum detritischen Mineralbestand, der im Fall von Vulkanitklasten und Schwermetallen Kationen (sehr
wahrscheinlich auch SEE) für diagenetische Neubildungen bereitstellen kann. Um eine erste petrographische
Datenbasis zu erhalten, wurde Herr Hartmann in die Methodik des point-count-Verfahrens eingeführt.
Außerdem wurden erste Proben für weitergehende Untersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie, Mirkosonde
und Kathodenlumineszenz ausgewählt und teilweise bereits vorbereitet.
Nach bisherigem Untersuchungsstand sind die Gehalte von SEE-Karbonaten (Bastnaesite bzw. bastnaesitreiche
Mischkristalle) vermutlich sehr gering. Hierbei ist allerdings zu bedenken, daß mögliche SEEhaltige
Karbonatphasen auf optischem Wege nicht zweifelsfrei zu identifizieren sind. Bislang wurden folgende
Erscheinungsformen möglicherweise SEE-haltiger Karbonatphasen festgestellt:
• homogen verteilte, zwickelfüllende, hoch lichtbrechende Aggregate von max. 200 mm Durchmesser
(Volumenanteile am Gesamtgestein stets deutlich unter 1 %).
• Anreicherungen von feinsten kristallen (ca. 10 - 20 mm Durchmesser), die in Verwachsung mit Quarz
und Tonmineralpartikeln im intergranularen Porenraum auftreten (Volumenanteile im Bereich weniger
%).
• Außerdem treten Karbonatzemente mit Volumenanteilen bis über 15 % auf, die nach optischem Erscheinungsbild
als calcitisch-dolomitische Karbonate anzusprechen sind und eventuell geringe Gehalte
an SEE enthalten können.
Im Rahmen des Dissertationsprojektes wird ein rezentes Vorkommen authigener Seltener-Erd-Mineralien
in karbonatischen Strandsanden Südost-Tunesiens mit dem Auftreten von neugebildeten SEE-Karbonaten
in fossilen Sandsteinen des Perm aus Nordwest-Deutschland verglichen, mit dem Ziel die geochemischen
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Rahmenbedingungen bei Niedertemperatur-Mobilisierung und Transport von SEE und bei deren Fixierung
in Karbonat-Mineralphasen im Bereich der Diagenese zu erfassen.
Mineralchemische Untersuchungen zur Bestimmung möglicher Herkunftsmaterialien der SEE, hydrochemische
Untersuchungen sowie eine detaillierte petrographische Studie zur paragenetischen Stellung der SEE-
Karbonate liefern die Daten für die Erarbeitung eines Diagenese-Modells. Da die SEE zum Teil ähnliche
Eigenschaften und Verbindungen wie die Actiniden aufweisen, könnten neue Ergebnisse über die Mobilität
der SEE auch von Interesse für das Verhalten der Actiniden, beispielsweise bei der Endlagerung nuklearer
Abfälle, im Bereich der Hydro- und Biosphäre sein. Projektziele sind:
• Erfassung der geochemischen Rahmenbedingungen bei Mobilisierung und Transport von Seltenen-
Erd-Elementen (SEE) und bei deren Fixierung in eigenständigen (Karbonat-) Mineralphasen im Wirkungsbereich
von Oberflächenwässern in einem rezenten und fossilen Beispiel.
• Petrographische Studie zur paragenetischen Stellung der Bastnaesite
• Untersuchungen zur Bestimmung möglicher Herkunfts-Substanzen der SEE
• Erarbeitung eines Modells zu Mobilisierung, Transport und Fällung der SEE; Vergleich der Rahmenbedingungen
von fossilem und rezentem Fall
Im Rahmen des Projektes wurden die folgenden Arbeiten durchgeführt:
• Auswertung vorhandener Daten für die Auswahl geeigneter Beprobungsstandorte
• Literaturrecherche und Auswertung
• Beprobung der permischen Sandsteine anhand diverser Bohrungen und anschließende Aufbereitung
für die Analytik
• Übersichtsbeprobung des rezenten Fallbeispiels in SE-Tunesien, Entnahme von Gesteins- (Boden)
und Wasserproben, Geländeuntersuchungen, Probenaufbereitung für die Analytik
• Chemische Analyse der Wasserproben mittels AAS und ICP-MS
• NAA, RFA beim rezenten Material abgeschlossen, am fossilen Material z.T. durchgeführt
• Dünnschliff-Mikroskopie an beiden Probenserien
• erste Analysen mit REM/EDAX, Beleg der Neubildung eines Ce, La-Karbonates in den permischen
Sandsteinen
• Beginn von Schwermineralaufbereitung und -analysen von beiden Probenserien
• Abschluß der NAA am fossilen Material am Forschungsreaktor TRIGA Mark II der Universität Mainz
• Fortführung von: Dünnschliff-Mikroskopie; RFA; XRD; REM/EDAX und Abschluß der Untersuchungen
• Fortsetzung der Schwermineralanalytik
• Mikrosondenananlysen an ausgewählten Proben beider Beispiele
• Beschaffung und Analyse von ergänzendem Probenmaterial für das rezente Beispiel
• SEE-Bestimmungen (NAA) an möglichen Herkunfts-Substanzen der Lanthaniden
• KL-Spektrometrie an ausgewählten Proben an der Ruhr Universität Bochum
• Aufbereitung und Auswertung der Analysendaten sowie Erarbeitung eines Modells zu Mobilisierung,
Transport und Fällung der SEE
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9.4 Angewandte Geologie, Hydrogeologie
Univ.-Prof. Dr. D. Schenk, Univ.-Prof. Dr. R. Oberhänsli und Mitarbeiter (Institut für Geowissenschaften)
9.4.1 Modellierung von Porenraumgeometrien und Transport in korngestützten porösen Medien
Bearbeiter: Dipl.-Geol. Frieder Enzmann
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. D. Schenk
Poröse Medien spielen in der Hydrosphäre eine wesentliche Rolle bei der Strömung und beim Transport
von Stoffen. In diesem Raum finden komplexe Prozesse statt: Advektion, Konvektion, Diffusion, hydromechanische
Dispersion, Sorption, Komplexierung, Ionenaustausch und Abbau. Die strömungsmechanischenund
die Transportverhältnisse in porösen Medien werden direkt durch die Geometrie des Porenraumes
selbst und durch die Eigenschaften der transportierten (oder strömenden) Medien bestimmt. In der Praxis
wird eine Vielzahl von empirischen Modellen verwendet, die die Eigenschaften des porösen Mediums in
repräsentativen Elementarvolumen wiedergeben. Die Ermittlung der in empirischen Modellen verwendeten
Materialparameter (z.B. Porosität, Permeabilität, Dispersivität) erfolgt i.d.R. über Labor- oder Feldbestimmungsmethoden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Computermodell PoreFlow entwickelt, welches die hydraulischen Eigenschaften
eines korngestützten porösen Mediums aus der mikroskopischen Modellierung des Fluidflusses
und Transportes ableitet. Das poröse Modellmedium wird durch ein dreidimensionales Kugelpackungsmodell,
zusammengesetzt aus einer beliebigen Kornverteilung, dargestellt. Im Modellporenraum wird die
Strömung eines Fluids basierend auf einer stationären Lösung der Navier-Stokes-Gleichung simuliert. Nach
der Strömungssimulation kann eine Stofftransportmodellierung auf Basis einer instationären Lösung der
advektiv-diffusiven Transportgleichung in einem nunmehr bestehenden Porenströmungsfeld erfolgen. Die
Ableitung der Transportparameter erfolgt direkt aus den resultierenden Daten der Strömungs- und Transportsimulation
(Vektoren der Bahngeschwindigkeiten, Bahnwege von Tracerpartikeln aus Monte-Carlo-
Simulationen). Die Ergebnisse der Modellsimulationen an verschiedenen Modellmedien werden mit den
Ergebnissen von Säulenversuchen (Durchströmungs- und Tracerversuche) verglichen. Bei den Modellsimulationen
zeigt sich bei Variation der Kugelverteilungen eine deutliche Abhängigkeit der effektiven Transportparameter
von den entstehenden Porenraumgeometrien (Erniedrigung der Durchlässigkeit und Erhöhung der
Dispersivität bei Erhöhung des Ungleichförmigkeitsgrades einer Kugelverteilung). Die gleichen qualitativen
Zusammenhänge sind bei den Experimentbefunden zu beobachten. Quantitativ sind die Modellsimulationen
mit den Ergebnissen der Säulenversuche nicht direkt zu vergleichen, da im Modell nur wesentlich
kleinere Systeme simuliert werden können.
Ergebnisse: Die Modellierung/Generierung des Porenraumes und die Simulation von Strömung und Transport
in diesem Raum ist möglich und führt zur Ableitung der effektiven Transportparameter. Allerdings
sind die Ergebnisse dieser Modellsimulationen nur bedingt, aufgrund der unterschiedlichen Systemgrößen,
mit Standardsäulenversuchen vergleichbar.
9.4.2 Mobilisation von Schwermetallen aus Fahlerzen in Grundwässern im Bereich Rheinhessisches
Hügelland als Folge anthropogen bedingten Nitrateintrages
Bearbeiter: Dipl.-Geol. Harald Schmitt
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. D. Schenk
Die chemischen Analysen der gelösten Inhaltsstoffe der Mischwässer im Raum Alzey aus den Brunnen und
Quellen, sowie den Bachquellen im Untersuchungsgebiet zeigten, daß es sich bei den Wässern zur Hauptsache
um hydrogenkarbonat- sulfat- chloridhaltige Erdalkali-Wässer handelt. Daneben liefern die Tiefbrunnen
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in Albig Alkali-Wässer, die überwiegend hydrogenkarbonathaltig sind. Mit Hilfe des Computerprogramms
PHREEQC wurden die jeweiligen Mineralspeziationen berechnet, die sich aus den ermittelten Inhaltsstoffen
der Grundwässer und den gegebenen pH- und Redoxbedingungen bei Anwendung der Gleichgewichtsthermodynamik
ergeben. Mögliche Austauschvorgänge, denen einige der beprobten Wässer im Untergrund
ausgesetzt sind, wurden aufgezeigt.
Die Analysen zeigen außerdem, daß bei den oberflächennahen Wässern der Quellen und Bachquellen sowie
der flachen Brunnen eine starke Beeinflussung durch gelöstes Nitrat gegeben ist. Dieses Nitrat wird
wahrscheinlich durch die intensive landwirtschaftliche Nutzung über eine mineralische Düngung in den
Wasserkreislauf eingebracht, was noch durch eine in 1999 auszuwertende Isotopenuntersuchung zu klären
ist. Durch die Nitratverlagerung ins Grundwasser ändern sich die dortigen Milieubedingungen. In den
anoxischen Grundwässern werden die dort geogen vorhandenen Schwermetallsulfide bakteriell oxidiert. Der
benötigte Sauerstoff dafür wird durch die ablaufende Nitratreduktion frei. Die Isotopenbestimmung von
Deuterium und Sauerstoff-18 belegte, daß die Wässer alle meteorischen Ursprungs sind. Zusammen mit den
Verhältnissen von 2 H und 18 O, 34 S und 18 O aus dem im Wasser gelösten Sulfat und 15 N und 18 O aus dem
im Wasser gelösten Nitrat sollen zukünftige Aussagen über Änderungen im Aquifermilieu getroffen werden.
Zudem ist die Quelle des Sulfats und Nitrats in den Wässern, in Zusammenhang mit repräsentativen
Isotopenanalysen im Raum Alzey anstehender Gesteine, feststellbar.
Im Bereich des Alzey-Niersteiner Horstes wurden strukturgeologische und geophysikalische Untersuchungen
zur Bestimmung der Fließwege durchgeführt. Der Luftbildbereich der Befliegungen 17/84 und 30/97 des
Landesvermessungsamtes Rheinland-Pfalz auf der Topographischen Karte 1:25000 Blatt 6214 Alzey wurde
näher untersucht und eine Linearkarte des Blattes Alzey (TK 25, 6214) erstellt.
Aus den gemessenen FCKW-Konzentrationen ließen sich verschiedene Modellalter errechnen. Dabei wurden
für die Wässer Heimersheim (B3), Bechenheim neu (B5), Offenheim P2 (B12) und Albig neu (B16) mittlere
Verweilzeiten von mehr als 40 Jahren bestimmt. Die übrigen Verweilzeiten schwanken zwischen 26 und
40 Jahren. Die Alter aus der F11- und der F12-Bestimmung zeigen dabei eine gute Übereinstimmung.
Die F113-Alter können nur Aussagen über die letzten 20 Jahre liefern, da sie erst seit den 70er Jahren
hergestellt werden. So zeigt F113 Verweilzeiten von mehr als 20 Jahren für die meisten Wässer an. Nur
die Proben aus Esselborn (B4) und Bornheim alt (B7) liegen mit Altern von 17 bzw. 16 Jahren leicht
darunter.
Berücksichtigt man nun, daß es sich bei den Grundwässern um Mischwässer handelt, so ist es mit der
FCKW-Methode möglich, mit den drei voneinander unabhängigen Stoffen F11, F12 und F113 den Jungwasseranteil
zu bestimmen. Man geht von einer Mischung aus einer alten, FCKW-freien Komponente
und einer rezenten bzw. nur wenige Jahre alten Komponente aus. Die Ergebnisse der Jungwasserberechnung
weisen eine gute Übereinstimmung bei den einzelnen FCKW auf. Mit den gewonnenen Daten sollen
Umsatzraten bei der Mobilisierung und dem Austausch von Schwermetallen in Wechselwirkung mit anthropogenen
Stoffeinträgen (Aufzeigen von Regelkreisläufen) und die dabei auftretenden hydrogeologischen und
hydrochemischen Rahmenbedingungen aufgezeigt und zukünftige Entwicklungen prognostiziert werden.
9.4.3 Analyse möglicher Grundwasserkontaminationen durch ehemalige Rüstungsstandorte:
Gefährdungsabschätzung mit GIS
Bearbeiterin: Dipl.-Geol. Simone Simon
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. D. Schenk
Problemstellung und Zielsetzung: Im Verlauf der beiden Weltkriege sind im Bereich der Bundesrepublik
Deutschland Rüstungsaltlasten aus Sprengstoff-, Kampfstoff- u. Munitionsbetrieben entstanden, deren
kennzeichnendes Merkmal das Auftreten toxischer und ökotoxischer Stoffe ist. Insbesondere die Ausbreitung
der Schadstoffe über den Transportweg der ungesättigten Bodenzone zum Grundwasser stellt eine zentrale
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Problematik dar, da hier das Schutzgut Trinkwasser gefährdet ist.
Dabei handelt es sich hauptsächlich um Explosivstoffe mit stark polaren Eigenschaften auf Nitro-Basis,
wie z.B. 2,4,6-Trinitrotoluol. Mit zunehmender Anzahl der Nitrosubstituenten nimmt die Reaktivität der
Nitroaromaten ab, womit TNT durch die symmetrische Verteilung der Nitrogruppen biologisch besonders
schwer abbaubar ist. Neben diesem Sachverhalt ergibt sich die Problematik der Bewertung aus dem großen
Substanzspektrum, da schon allein die Produktion von TNT eine große Zahl toxischer Intermediär- oder
Abbauprodukte nach sich zieht.
Eine exakte Aussage oder Vorhersage zur großräumigen Grundwasserkontamination durch ehemalige
Rüstungsbetriebe kann durch die Vielzahl der potentiell zu erwartenden Stoffe nicht getroffen werden,
da dies eine genaue, jedoch auch sehr kostenintensive Recherche des jeweiligen Standorts voraussetzt. Ziel
ist es, für eine großräumige Betrachtung einer Rüstungslandschaft mit intensiver militärtechnischer Nutzung,
ein kostengünstiges, auf frei zugänglichen Daten basierendes und GIS-gestütztes Modellkonzept zu
entwickeln, um für größere Rüstungsaltlasten eine erste Gefährdung prognostizieren zu können.
Das Untersuchungsgebiet befindet sich im rechtsrheinischen Großraum von Köln, zwischen Leverkusen im
Norden und Troisdorf im Süden und umfaßt etwa eine Größe von 150 km 2 . Auf diesem Gebiet befinden
sich eine Vielzahl unterschiedlicher ehemaliger Rüstungsstandorte, deren potentielles Gefährdungspotential
basierend auf folgenden Schritten, abgeschätzt wird:
• Intensive historische Recherche der Rüstungslandschaft mittels Luftbildern und -karten sowie in
zugänglichen Archiven, zur Ermittlung der potentiellen Kontaminationsquellen, der chemischen Substanzen
und dem chemischen Spektrum der Rüstungsstandorte
• Erfassung der physikalisch-chemischen Stoffeigenschaften potentiell auftretender sprengstofftypischer
Verbindungen (z.B. Sorptionskapazitäten, Oktanol/Wasser-Verteilungskoeffizient), Einteilung
in Gruppen ähnlicher Stoffeigenschaften
• Erfassung physikalisch-chemischer Transportparameter der ungesättigten Zone basierend auf allgemein
zugänglichen Daten (z.B. Corg, pH, KAK, FK)
• Betrachtung der Auswirkungen von Landnutzung/Landnutzungsänderung und der historischen Landschaftsentwicklung
auf Grundwasserneubildung, Sickerwasser und Fließgeschwindigkeit
• Erfassung der Grundwasserverhältnisse (Fließwege, Fließgeschwindigkeit, Flurabstand etc.)
• Gruppierung und Parametrisierung der erhobenen Daten und Einbindung dieser in ein Geographisches
Informationssystem (GIS)
Ausblick: Bisherige Verfahren zur Gefährdungsabschätzung beruhen auf statistischen Methoden, wobei die
verschiedenen Stoff- und Standorteigenschaften nach bestimmten Bewertungskriterien klassifiziert und in
Gefährdungsstufen eingeteilt werden. In dieser Arbeit wird ein empirischer Ansatz gewählt, in dem durch
Betrachtung eines Worst-Case-Szenarios die Schadstoffgehalte im Sickerwasser in Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen
und Einbeziehung der Stoffeigenschaften abgeschätzt werden, beispielsweise in Anlehnung
an die Korrelation nach Karickhoff et al. (1979), einer empirischen Korrelation zwischen Oktanol/Wasser-
Verteilungskoeffizient Kow und dem auf den Gehalt des Bodens an organisch gebundenem Kohlenstoff
normierten Sorptionskoeffizienten Koc.
Neben empirischen Korrelationen werden für das Modell die Grundwasserverhältnisse erfaßt, indem die
Fließgeschwindigkeit und -richtung für einzelne Stromfäden sowie die Sickerwassermenge über die Niederschlagsverteilung
und die Art der Vegetation bestimmt wird.
Durch die Kombination und Verschneidung dieser Daten in einem GIS können stufenweise Gebiete mit
hohen bis niedrigen Gefährdungspotentialen lokalisiert werden, welche über das GIS auch mit externen
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Transport-/ bzw. Grundwasserströmungsmodellen gekoppelt werden können. Durch räumliche Analyse und
Modellierung können damit z.B. Planungsgrundlagen geschaffen werden, welche die Entscheidungsfindung
für Sanierung- oder Verbesserungsmaßnahmen unterstützen, oder Alternativszenarien mit unterschiedlichen
Maßnahmen unter vorgegebenen Rahmenbedingungen berechnet werden.
9.4.4 Sorption, Migration und Transportverhalten von Sprengstoffen (2,4,6-Trinitrotoluol und
1,3 - Dinitrobenzol) in der ungesättigten Zone - Experimentelle Studien und Modelle
Bearbeiter: Dipl.-Geol. Thomas Track
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. D. Schenk
Für die vertikale Verlagerung in der ungesättigten Bodenzone ist neben dem Wassergehalt das Sorptionsverhalten
der Schadstoffe an unterschiedlichen Bodenkonstituenten von Bedeutung, da es in bestimmten
Fällen als Kd-Wert in den Retardierungsfaktor der Transportgleichung eingeht.
Das Adsorptionsverhalten umweltrelevanter Stoffe an Böden und ihrer Komponenten, d.h. Sande, Tone,
Huminstoffe etc., läßt sich durch Adsorptionsisothermen illustrieren. Diese Adsorptionsisotherme beschreiben
eine Beziehung zwischen der adsorbierten Masse (Adsorbent) der Chemikalien pro Masseneinheit
des Adsorbens und der Masse des Stoffes in der Lösung nach der Gleichgewichtseinstellung. Für
die Untersuchungen zum Adsorptionsverhalten von Sprengstoffen wurden zehn verschiedene Modellstoffe,
wie sie als häufige Bodenbestandteile auftreten (Sande und Tone z.T. mit Anteilen organischer Substanz)
ausgewählt sowie über verschiedene Untersuchungsverfahren charakterisiert. Zur Quantifizierung des
spontanen Adsorptionsvermögens beider Sprengstoffe wurden mit den oben charakterisierten Adsorbentien
Schüttelversuche durchgeführt.
Für die verschiedenen Versuchsanordnungen wurden die Parameter der Langmuir- und Freundlich-
Adsorptionsisothermen ermittelt. In Versuche an Sandsäulen gehen die Ergebnisse der Batchversuche
als Grundlage für das Transportverhalten in der ungesättigte Bodenzone ein. Für die Tone wird das Mobilitätsverhalten
in Diffussionsversuchen weiter untersucht. Anhand von Lösungsversuchen werden durch
das Aufbringen verschiedener Modellniederschlagswässer die Lösungskinetik von TNT und DNB sowie ihre
Eintragsmenge in die ungesättigte Bodenzone untersucht. Die Ergebnisse der Säulen- und Diffusionsversuchen
werden in einer Computersimulation mit dem Programm COTAM modelliert. Als Eintragsgrößen für
die ungesättigte Bodenzone dienen dabei die Ergebnisse der Untersuchungen zum Freisetzungsverhalten.
Die Modellierungsergebnisse sollen an Felduntersuchungen verifiziert werden.
9.4.5 Bestimmung und chemische Modellierung der Sorptions-Mechanismen von TNT und DNB
unter definierten Randbedingungen an unterschiedlichen Bodenmaterialien
Bearbeiter: Dipl.-Geol. Domenik Wolff-Boenisch
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. D. Schenk
Dieses Forschungsvorhaben dient dazu, den Kontaminationspfad der Sprengstoffe TNT und DNB von
ihrem Eintrag in den Oberboden bis hin zur gesättigten Zone zu erfassen, d.h. Mobilitäten und Sorptionsmechanismen
zu ermitteln, um Aussagen über ihr Gefährdungspotential als toxische Substanzen für das
Grundwasser bzw. den Boden treffen zu können. TNT als ubiquitärer Sprengstoff in den Weltkriegen spielt
eine eminente Rolle bei der Evaluierung von Rüstungsaltlasten aus dieser Zeit, während DNB zeitweise als
TNT-Ersatz verwendet wurde; zudem entsteht es als Beiprodukt bei der TNT-Fabrikation.
Versuchsdurchführung: Zehn ausgewählte und mineralogisch bestimmte Sande und Tone werden mit definierten
wäßrigen Lösungen von TNT und DNB versetzt, geschüttelt, wieder separiert und die Konzentration
des Sprengstoffes in der wäßrigen Phase mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie gemessen,
um ihr Sorptionsvermögen zu determinieren. Daraus resultieren sog. Sorptionsisotherme, anhand derer
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man Affinitäten der Sprengstoffe für bestimmte Bodenkonstituenten erkennen kann, deren physikochemischen
Ursachen in weitergehenden Versuchen, die sich mit der Art und Ausprägung der Bindung zwischen
Ton/Sand und chemischer Substanz beschäftigen, genauer untersucht werden. Diese Wechselwirkungen
können vielfältig sein und hängen ab a) von den Mineraleigenschaften des Adsorbens, z. B. Kationenaustauschkapazität,
Quellfähigkeit, Oberflächendichte, b) von den Eigenschaften der ökorelevanten Substanz,
z. B. Löslichkeit, Molekülmasse, -ladung, einzelnes Elektronenpaar, Polarität und c) von umgebenden
Faktoren wie pH, Temperatur und Ionenstärke der Lösung. Als analytische Instrumente dienen hierzu
Röntgendiffraktometer, Infrarotspektroskope und Magnetkernresonanzspektroskope. Die Verifikation der
gewonnenen Daten und Prognosen über die Mobilität beider Chemikalien findet in Lysimeter (=Säulen)
Versuchen statt.
9.4.6 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
ENZMANN, F., HOFMANN, T., SCHENK., D. (2000): A new microskopic approach to determine transport
parameters and surfaces in porous media. Groundwater 2000: International Conference on Groundwater
Research, June 6-8, Copenhagen, Denmark.
ENZMANN, F., HOFMANN, T., SCHENK., D. (2000): A new microscopic approach to determine transport
parameters and surfaces in porous media. In: Rosbjerg et al. (Hrsg), Groundwater Research, S. 83-84,
Balkema, Rotterdam.
KNOKE, H., ENZMANN, F., THOMAS, L., HORSTMANN, B. PEKDEGER, A., SCHENK, D. (1997):
XPS-FROCKI - Bedienungsanleitung und Referenzhandbuch.- 250 S., DGMK-Ber. 436-2; Hamburg.
MAIER-HARTH, U. und SCHMITT, H. (1999): Hydrogeologische Beschreibung Blatt Alzey (6214).- in
Erläuterungen zur geologischen Karte Blatt Alzey 6214, Geologisches Landesamt Rheinland Pfalz, Mainz.
PIRRUNG M., ENZMANN F., SCHMITT, H. (1995): Geologie in der Um-gebung der oberoligozänen
Fossillagerstätte-Enspel (NW-Wester-wald) - erste Ergebnisse.- 1995, Cour. Forsch. Inst. Senkenberg,
Frankfurt a. M..
SCHMITT, H. und SCHENK, D. (1997): Zur Problematik der anthropogen induzierten geogenen Schwermetallbelastung
in Grundwässern.- Mainzer naturwiss. Archiv, 35, 23-25; Mainz.
SCHMITT, H., BOTT, W. und SCHENK, D. (1999): Mobilisation von Schwermetallen aus Fahlerzen im
Bereich Rheinhessisches Hügelland als Folge anthropogen bedingten Nitrateintrages?.- in: F. Rosenberg
und H.-G. Röhling (Hg): Arsen in der Geospäre, Schriftenreihe der DDG, Heft 6: 117-122; Hannover.
SCHMITT, H. und SCHENK, D. (1999): Mobilisation von Schwermetallen aus Fahlerzen im Bereich
Rheinhessisches Hügelland als Folge anthropogen bedingten Nitrateintrages?.- in: Joachim W. Härtling,
Monika Huch und Jörg Matschullat (Hrsg): Umwelt 2000 - Geowissenschaften für die Gesellschaft: 22-25.
September 1999 in Halle (Saale); Kurzfassungen der Vorträge und Poster [Gesellschaft für Umweltgeowissenschaften],
Schriftenreihe der DDG, Heft 9, 121-122; Hannover.
SIMON. S., HOFMANN, T., PREUSS, J., SCHENK, D. (2000): Analysis of groundwater contamination by
former ammunition plants: large scale risk assessment with GIS. In: Rosbjerg et al. (Hrsg), Groundwater
Research, S. 511-512 , Balkema, Rotterdam.
SIMON, S., HOFMANN, T., SCHENK, D, PREUSS, J. (2000): Groundwater risk assessment of former ammunition
plants. ConSoil 2000: 7th International FZK/TNO Conference on Contaminated Soil, September
18-22, Leipzig. (in prep.)
SIMON, S., HOFMANN, T., SCHENK, D, PREUSS, J. (2000): Groundwater risk assessment of former
ammunition plants. HydroGeoEvent 2000, Heidelberg. (in prep.)
SIMON, S, HOFMANN, T., SCHENK, D, PREUSS, J. (2000): Analysis of groundwater contamination
85

y former ammunition plants: large scale risk assessment with GIS. Groundwater 2000: International
Conference on Groundwater Research, June 6-8, Copenhagen, Denmark.
SIMON, S., HOFMANN, T., SCHENK, D, PREUSS, J. (2000): Groundwater risk assessment of former ammunition
plants. ConSoil 2000: 7th International FZK/TNO Conference on Contaminated Soil, September
18-22, Leipzig.
SIMON, S., HOFMANN, T., SCHENK, D, PREUSS, J. (2000): Groundwater risk assessment of former
ammunition plants. HydroGeoEvent 2000, 29.09 - 04.10.2000, Heidelberg.
9.5 Bindung und Mobilität ökotoxischer Metalle und Metalloide im Bereich von Lagerstätten
und Halden in Rheinland-Pfalz
Univ.-Prof. Dr. H. v. Platen, Univ.-Prof. Dr. R. Oberhänsli, Univ.-Prof. Dr. R. Gaupp und Mitarbeiter
(Institut für Geowissenschaften)
9.5.1 Bindungsformen, Mobilität und Aufnahmeverhalten von Uran in Vererzungen, Böden und
Pflanzen im Saar-Nahe-Gebiet, Rheinland-Pfalz
Bearbeiter: Dipl.-Geol. Holger Appel
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. H. von Platen
Im Saar-Nahe-Becken entstanden im Zusammenhang mit vulkanischen Aktivitäten im Oberrotliegend und
den begleitenden Alterationsprozessen hydrothermale Uranvererzungen.
In der Lagerstätte am Bühlskopf bei Ellweiler tritt eine epi-mesothermale Uranvererzung in der Varietät
” Nohfelden B“ im Nohfelder Rhyolithkomplex auf (U max.: 1380 ppm), am Großwald bei Dreiweiherhof
existiert eine Vererzung vom Typ roll-front“ in Sand- und Tonsteinen des Unterrotliegend (U max.: 1150
”
ppm).
Durch Verwitterung gelangen das Uran und die assoziierten Schwermetalle (Pb, Cu, Zn) in den Boden
und stehen dort potentiell den Standortpflanzen zur Aufnahme zur Verfügung. Zur Abschätzung des
ökologischen Risikos wurden durch sequentielle Standardextraktionen Art und Anteil der leichter löslichen,
” bioverfügbaren“ Uranspezies in den Gesteinen und Böden bestimmt. Dies sind:
• wasserlösliche und kationenaustauschbare Urananteile,
• karbonatisch gebundenes Uran,
• an amorphe Fe-Oxid-Hybride gebundene Gehalte,
• organisch fixierte Anteile.
Ergänzend zu der Erfassung der geochemischen Bindungsformen und deren Mobilitäten wurde das biochemische
Aufnahmeverhalten von Uran in Standortpflanzen und Nutzpflanzen eines Freilandversuchs bestimmt.
In allen untersuchten Pflanzen fand eine Uranaufnahme statt. Die Konzentrationen in der Wurzel nehmen
in der Regel mit steigenden Gesamtgehalten in den Böden zu. Die Quantifizierung der Uranaufnahme
und der Mobilität des Urans in den Pflanzen erfolgt mit Transferfaktoren und Verteilungskoeffizienten. In
Landpflanzen sind Transferfaktoren < 1 (0.05 - 0.8) die Regel. In Wassergräsern dagegen kommen in
den Untersuchungsgebieten signifikante Uranakkumulationen mit Transferfaktoren zwischen 7 und 13 vor.
Alle untersuchten Pflanzen besitzen eine markante Wurzel/Sproßbarriere für Uran, die Verteilungskoeffizienten
variieren zwischen 0.01 und 0.5. In den pflanzlichen Organismen kommte es zu einer bevorzugten
” Endablagerung“ des Urans in den wasserreichen Endgliedern (Blätter, Nadeln, Früchte). Aufgrund der
86

vorgelegten geochemischen und biochemischen Analysedaten und relevante Analogiebeziehungen werden
Richtwerte für geogene und anthropogene Uranbelastungen in Böden im Sinne der Hollandliste und der
Klärschlammverordnung sowie ein Wert für den tolerierbaren Gesamtgehalt in Böden vorgeschlagen.
9.5.2 Erfassung und Quantifizierung von Quecksilber-, Arsen- und Antimonverbindungen im
Bereich Boden - Pflanze eines historischen Quecksilber-Bergbaugebietes im Nordpfälzer
Bergland
Bearbeiterin: Dipl.-Geogr. Anke Neuhaus
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. H. von Platen
Im Zusammenhang mit dem Oberrotliegend-Vulkanismus des Saar-Nahe-Beckens bildeten sich im Nordpfälzer
Bergland oberflächennahe, hydrothermale bis epithermale Quecksilber-Arsen-Antimon-Barium-
Vererzungen.
Das mit Abstand häufigste Quecksilbererz ist Zinnober (HgS). Als Begleiter der Quecksilbermineralisation
werden sulfidische Arsen- und Antimonminerale, Fahlerze sowie Baryt (BaSO4) beobachtet. Quecksilber,
Arsen, Antimon und Barium gelten als hochtoxisch, die Toxizität hängt jedoch von der Verfügbarkeit der
vorliegenden Verbindung ab. Sulfidische Quecksilber-, Arsen- und Antimonverbindungen sind schwerlöslich
und können als relativ ungefährlich eingestuft werden. Durch verschiedene Prozesse kann jedoch deren
Verfügbarkeit und das dadurch verursachte potentielle Risiko erhöht werden. Für die vorliegende Untersuchung
wurden gärtnerisch, land- und forstwirtschaftlich genutzte Böden in und um das ehemalige
Quecksilberbergbaugebiet Stahlberg beprobt und analysiert. Die gefundenen Gesamtgehalte überschreiten
bisherige Richtwerte (Hollandliste, Kloke-Werte) deutlich bis extrem. Dabei muß berücksichtigt werden,
daß diese Richtwerte nur für anthropogene Kontaminationen, die wegen ihrer Bindungsformen leichter
verfügbar sind, anwendbar sind.
Die Bindungsformen von Hg, As und Sb in den Vererzungs- und Haldenbereichen wurden mit Hilfe sequentieller
Extraktionsanalyse und naturnaher Extraktion untersucht. Für die Abschätzung realistischer Werte
wurden die Hg-, As- und Sb-gehalte in verfügbaren Nutzpflanzen bestimmt.
Für Quecksilber besteht bei pH-Werten zwischen 4.1 und 7 ein linearer Zusammenhang zwischen dem
extrahierbaren Hgextr und dem Gesamtquecksilber Hgges. Im Durchschnitt lassen sich 7.5 % und maximal
12.5 % des Gesamtquecksilbers extrahieren. Der größte Teil von Hgextr ist relativ fest an die organische
Substanz gebunden (K = 10 −21 ). Die naturnahen Extraktionsversuche ergaben, daß in Essigsäure maximal
0.4 %, in EDTA ca. 20 % von Hgorg (bei linearer Korrelation zu Hgorg) gelöst werden.
Arsen ist mit ca. 59 %, Antimon mit ca. 45 % in stärkerem Maße extrahierbar als Quecksilber, es besteht
ein linearer Zusammenhang zu den jeweiligen Gesamtgehalten. Der größte Teil ist an Fe-Oxid-Hydroxide
gebunden, außerdem treten Arsenate auf.
Die gefundenen Quecksilbergehalte liegen bei den untersuchten Blattgemüsen (Mangold, Lauch), bei Petersilie
und Weizen z. T. deutlich über den vom BGA festgestzten Richtwerten. Bei den beprobten Wurzel-,
Sproß- und Fruchtgemüsen, Beerenobst und Kartoffeln und anderen Getreidearten wurden keine überhöhten
Konzentrationen in den verzehrbaren Pflanzenteilen beobachtet. In Pflanzenversuchen konnte festgestellt
werden, daß die Quecksilberkonzentration in Pflanzen von dem mit EDTA-extrahierbarem bzw. dem organisch
gebundenen Quecksilber abhängig ist. Aus dem Verhältnis HgP flanze/Hgorg wurden Transferfaktoren
bestimmt. Die so berechneten Transferfaktoren liegen mit wenigen Ausnahmen zwischen 0.001 und 0.006,
höhere Werte mit einem Maximum zwischen 0.012 und 0.014 wurden für Weizen, Lauch, Petersilie und
Erdbeeren gefunden.
Die vom BGA festgesetzten Richtwerte für Arsen werden in den untersuchten Blattgemüsen (Mangold,
Lauch), der Petersilie, Kohlrabi, Zucchini und Himbeere überschritten. Für den größten Teil der untersuchten
Pflanzen liegen die Transferfaktoren unter 0.001, für einige Pflanzenarten (Erdbeerem Zucchini,
87

Kohlrabi und Petersilie) ergeben sich Transferfaktoren zwischen 0.001 und 0.002, für die Blattgemüse Lauch
und Mangold solche zwischen 0.002 und 0.003.
Für Antimon existieren keine Richtwerte für Nutzpflanzen des BGA. Die Antimongehalte der Pflanzen sind
niedriger als die Arsengehalte, die berechneten Transferfaktoren liegen in der gleichen Größenordnung. Aus
den Pflanzenversuchen ergibt sich ein Zusammenhang zwischen den Antimongehalten der Pflanzen und
dem mit EDTA bzw. HAc extrahierbaren Antimon.
Aufgrund der Pflanzenuntersuchungen, der Extraktionsversuche und der gemessenen Gesamtgehalte in den
Böden wurden realistische Richtwerte für die geogenen Belastungen vorgeschlagen.
88

10 Projekte am Max-Planck-Institut für Chemie
10.1 Biogeochemie
Prof. Dr. M. Andreae, Dr. Günter Helas, Dr. J. Kesselmeier, Dr. F. X. Meixner und Mitarbeiter
10.1.1 Messungen von Lachgas (N2O) und Methan (CH4) in europaeischen Nebenmeeren
Bearbeiter: Dipl.-Chem. Hermann Bange
Hauptbetreuer: Prof. Dr. M. Andreae
Zur räumlich und zeitlich hochaufgelösten Messung von gelösten und atmosphärischen Lachgas (N2O) und
Methan (CH4) wurde ein kontinuierlich arbeitendes gaschromatographisches Analysesystem (GC-ECD/FID)
aufgebaut. Zur Messung von N2O und CH4 in der ozeanischen Mischungschicht wurde ein Seewasser-
Gas Equilibrator eingesetzt. Dieses System wurde während mehrerer Expeditionen in verschiendenen europäischen
Nebenmeeren (Nordsee September 1991, September 1992; Ostsee Februar 1992, Juli-August
1992, Gironde November 1992, östliches Mittelmeer Juli 1993) eingesetzt.
Das wichtigste Ergebnis läßt sich wie folgt zusammenfassen: Es konnte erstmals gezeigt werden, dass N2Ound
CH4-Emissionen aus Küstengebieten (kontinentaler Schelf und Aestuare) einen wesentlichen Beitrag
zu den globalen ozeanischen Emissionen von N2O und CH4 leisten.
10.1.2 Die Abgabe von organischen Säuren an die Atmosphäre durch Pflanzen verschiedener
Entwicklungsstufen
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Kirsten Bode
Hauptbetreuer: Dr. J. Kesselmeier
Im Rahmen der Dissertation sollte untersucht werden, ob die Vegetation als Quelle für Ameisen- und
Essigsäure in der Atmosphäre angesehen werden kann. Um dabei Oxidationsvorgänge an pflanzlich emittierten
Spurengasen während der Verweildauer in der Küvette auszuschließen, wurde diese Arbeiten unter
Reinluft-Bedingungen durchgeführt. Dabei wurden verschiedene junge Baumspezies hinsichtlich ihres
Austauschverhaltens und ihrer Saisonalität verglichen. Erste Feldmessungen an Fichtenzweigen mit einem
halboffenem Küvettensystem ergaben aufgrund der im Freiland üblichen wechselhaften klimatischen
und luftchemischen Bedingungen uneinheitliche Ergebnisse. Die daraufhin geforderte Standardisierung der
Meßbedingungen, die einen Vergleich verschiedener Pflanzenarten ermöglichen sollte, machte die völlige
Neukonstruktion eines Küvettensystems und den Aufbau einer Gasreinigungsanlage notwendig. Mit dem
neuen System wurden unter einheitlichen Bedingungen in einem Klimaschrank zwei Fichten (Picea abies (L)
Karst.), eine Buche (Fagus sylvatica L.) und eine Esche (Fraxinus excelsior L.) untersucht. Im Laufe von 3
bis 7 Tagen wurden die oberirdischen Abschnitte der 3-5 Jahre alten Bäume mit gereinigter Luft begast und
der Austausch von Ameisen- und Essigsäure gemessen. Gleichzeitig wurden die Nettophotosynthese- bzw.
die Atmungsrate und die Transpiration bestimmt. Die gewonnenen Gaswechseldaten und Austauschraten
für die beiden organischen Säuren waren mit denen von Feldversuchen vergleichbar. Bei allen untersuchten
Pflanzen wurden hauptsächlich Emissionen und kaum Depositionen beobachtet. Während der Lichtphasen
emittierten die Versuchspflanzen in höheren Raten als in den Dunkelphasen. Bei den meisten Experimenten
waren Ameisensäureaustausch und Transpirationsrate korreliert. Für die Essigsäure waren diese
Beziehungen weniger deutlich. Bei allen Versuchspflanzen waren die Verhältnisse zwischen Ameisensäureund
Essigsäureabgabe korreliert. Im Zusammenhang mit der herbstlichen Stoffwechselumstellung nahmen
die Freisetzungsraten der Esche bezogen auf die Blattfläche und den Gaswechsel zu. Bei der Buche waren
im Herbst die Emissonsraten in Bezug auf Transpiration und Photosynthese erhöht. Desweiteren war eine
89

auffällige Verschiebung des Ameisen- zu Essigsäureverhältnisses zugunsten der Essigsäure zu erkennen. Einer
einfachen Abschätzung zufolge kann die Vegetation eine bedeutsame kontinentale Quelle für Ameisenund
Essigsäure in der Atmosphäre darstellen. Danach würde eine globale Waldfläche von 48·10 6 km 2 jährlich
114 Gmol Ameisen- und 52 Gmol Essigsäure freisetzen. Bei den weiter führenden Arbeiten im Anschluß
an die Dissertation wurden umfangreiche Arbeiten zur Freisetzung von biogenen Kohlenwasserstoffen in
Feldexperimenten durchgeführt. Alle Arbeiten schlossen die oxigenierten Verbindungen (organische Säuren
und Carbonyle) ein. Die Ergebnisse weisen auf einen potentiell bedeutenden Beitrag der Vegetation zum
Budget der oxigenierten (teiloxidierten) in der Atmosphäre hin.
10.1.3 Modellierung der biogenen Emissionen von Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen
aus Ökosystemen des Amazonasgebietes
Bearbeiter: Bachelor of Agricultural Management Grant A. Kirkman
Hauptbetreuer: Dr. F. X. Meixner
Die photochemische Produktion von troposphärischem Ozon im Rahmen der Oxidation von Kohlenwasserstoffverbindungen
(CO, CH4, VOC) durch Radikalverbindungen (OH·, RO2, etc.) ist entscheidend von
der atmosphärischen Konzentration der Stickstoffoxide (NOX = NO + NO2) abhängig. Während in industrialisierten
Ländern die Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen die Hauptquelle des NOX darstellt,
sind dies in den Ländern der dritten Welt die Verbrennung von Biomasse und die biogene Emission von
Stickstoffmonoxid (NO) aus Böden.
Im Rahmen der noch laufenden Doktorarbeit wurde zur Vorbereitung der geplanten Untersuchungen zur
biogenen NO-Emission aus brasilianischen Ökosystemen (s.u.) zunächst ein einfacher Algorithmus entwickelt,
um die jährliche biogene NO-Emission für das Staatsgebiet von Zimbabwe zu ermitteln. Den durch
räumliche Extrapolation gewonnenen Ergebnissen lagen Laboruntersuchungen an Bodenproben zugrunde,
welche 1994 durchgeführt wurden und die die NO-Emission für die drei wesentlichen Landnutzungsklassen
Zimbabwes (miombo woodland, grassland, agricultural land) in Abhängigkeit der Bodentemperatur und -
feuchte charakterisierten. Im Rahmen der Doktorarbeit wurden durch Modellierung landesweite Datenfelder
(a) der Bodentemperatur und -feuchte und (b) der landnutzungsspezifischen, mittleren monatlichen NO-
Emission aus Böden erzeugt, welche durch den Beitrag derjenigen NO-Emission ergänzt werden konnten,
der sich akut nach Starkniederschlägen ergibt (pulsing). Für das Staatsgebiet von Zimbabwe ergibt sich
damit eine jährliche NO-Emission aus Böden von 33 Gg NO-N, wobei 63 % aus der Landnutzungsklasse
miombo woodland stammen, welche 66 % der Gesamtfläche von Zimbabwe ausmacht. Die so gewonnenen
Abschätzungen sind die ersten, die jemals für die Stickstoffbilanzierung eines afrikanischen Staates ermittelt
wurden; die Ergebnisse wurden bereits zusammengefasst und zur Veröffentlichung (Global Biogeochemical
Cycles) eingereicht.
Im September/November 1999 wurde die NO-Emission aus Weide- und Regenwaldböden in Rondônia /
Brasilien mit der Hilfe eines dynamischen Bodenkammersystem im Feldexperiment untersucht. Die mittlere
biogene NO-Emission aus den Regenwaldböden (3.5 ng N m −2 s −1 ) erwies sich als zehnmal höher
als die, welche über denjenigen Weideflächen beobachtet wurde, die vor 20 Jahren durch Brandrodung
aus Regenwaldökosystemen entstanden waren. Die in einer parallelen Doktorarbeit im Labor ermittelten
Abhängigkeiten der NO-Emission von Bodentemperatur, -feuchte, sowie dem Nährstoffgehalt der Böden
wird im Rahmen der Doktorarbeit benutzt werden, um die NO-Emission für das Gebiet der westbrasilianischen
Provinz Rondônia jahreszeitabhängig und flächendeckend zu ermitteln. Dazu wird derAlgorithmus
verwendet, der bereits für die Bestimmung der landesweiten biogenen NO-Emission Zimbabwes
benutzt und der mittlerweile erheblich verbessert und an die brasilianischen Verhältnisse angepasst wurde.
Darüberhinaus wurden geeignete Modellkomponenten implementiert, die der Untersuchung derjenigen
Prozesse dienen, welche der NO-Emission zugrunde liegen (Nitrifikation, Denitrifikation, Mineralisierung,
Dekomposition, etc.).
90

10.1.4 Spurengasaustausch klimarelevanter reduzierter Schwefelverbindungen zwischen Biosphäre
und Atmosphäre: COS Transfer der Flechten und anderer biotischer Kompartimente
Bearbeiter: Dipl.-Biol. Uwe Kuhn
Hauptbetreuer: Dr. J. Kesselmeier
Die Arbeiten zur Dissertation über atmosphärisches Carbonylsulfid (COS) erfolgten in zwei Abschnitten.
Zunächst wurde der Spurengasaustausch unter Feldbedingungen untersucht. Daran schloß sich dann eine
methodische Arbeit zum Verständnis der pflanzenphysiologischen Vorgänge an. In den Feldversuchen unter
natürlichen Bedingungen an einem Standort in Kalifornien wurden dynamische Einschlußkammern eingesetzt.
Flechtenproben wurde in einer Meßkammer im Vergleich zu einer leeren Kammer gemessen. Die
Arbeiten fanden im Mai/Juni (Trockenzeit) und im November/Dezember (Regenzeit) statt. Aufgezeichnet
wurden physiologische Parameter (CO2 Austausch und Thallus Wasserstatus) sowie Umweltvariable (Temperatur,
Strahlung, Luftfeuchte und atmosphärische COS Konzentrationen). Es stellte sich heraus, daß
Flechten in der Lage sind, kontinuierlich COS aufzunehmen und zwar im Licht wie im Dunkeln. In erster
Linie ist die Aufnahme abhängig vom Feuchtegehalt der Flechten. Zusätzlich zeigte sich eine Abhängigkeit
von der Temperatur und vom atmosphärischen COS Mischungsverhältnis. Inaktivierung durch hohe Temperaturen
wies auf einen enzymatischen Hintergrund hin. Licht und Photosynthese haben keinen direkten
Einfluß auf die COS Aufnahme. Die Aufnahmeraten bewegten sich zwischen 0.015 und 0.071 pmol g −1 s −1
(auf Trockengewichtsbasis). Umgerechnet auf die Thallusoberfläche zeigte sich die Senkenstärke der Flechten
vergleichbar stark wie die höhere Vegetation. Im Vergleich zu den Flechtenmessungen wurden während
der Feldmessungen in der Regenzeit sowohl der Boden, als auch höhere Vegetation untersucht. Damit war
es möglich das Potential der für das betroffene Ökosystem wichtigen Komponenten abzuschätzen. Es zeigte
sich, daß neben Flechten und höherer Vegetation, der Boden als die dominante Senke agierte. Mit der
oben beschriebenen Technik wurden anschließend die Grundlagen des COS Austausches der Flechten unter
Klimakammerbedigungen untersucht. Hier bestätigte sich der zentrale Einfluß des Thalluswassergehaltes
auf die Physiologie und die Aufnahmevorgänge. Ein Wassergehalt von 30 % war das Minimum für die COS
Aufnahme, deren Rate bis zum Wassergehalt von 200 % anstieg. Zusätzlich signifikant regulierend war das
atmosphärische Mischungsverhältnis. Die Aufnahmerate zeigte eine lineare Abhängigkeit von ambienten
COS Konzentrationen mit einem Kompensationspunkt im Bereich von 37 ppt. Das Temperaturoptimum
von 25 ◦ C verwies auf den physiologischen Hintergrund der COS Aufnahme, was sich schließlich mit dem
erfolgreichen Einsatz eines spezifischen Enzymhemmstoffes beweisen ließ. Zur Modellierung konnten alle
Variablen in einen Algorithmus integriert werden, der die Feldergebnisse erfolgreich nachzeichnete und zur
weiteren Modellierung eingesetzt werden kann.
10.1.5 Herkunft und Massenbilanz von Blei in metallreichen Sediemnten
Bearbeiter: Dipl.-Geol. Bernhard Peucker-Ehrenbrink
Hauptbetreuer: Prof. Dr. M. Andreae
Seit langem ist bekannt, daß die Bleiisotopen-Zusammensetzung von Gesteinen, die aus Mantelschmelzen
entstanden sind, schlecht mit denen des Strontiums und Neodyms korrelliert. Die globale Differentiation
der (U, Th)-Pb-Verhältnisse im Kruste-Mantel-System muß deshalb von der anderer Isotopensysteme abweichen.
Seit den Untersuchungen von Unruh und Tatsumoto (1976), Chen et al. (1986) und Berrett et
al. (1987, 1988) ist bekannt, daß Blei in metallreichen Sedimenten aus Tiefsee-sedimentkernen isotopisch
eher auf Mantel- als auf Krustenherkunft hindeutet.
In diesem projekt wurde die Möglichkeit untersucht, daß ein erheblicher Teil des Bleis aus der ozeanischen
Kruste (Mantel) durch hydrothermale Alteration gelaugt und in marine Sedimente (Kruste) umgelagert
wird. Diese Sediemente werden während der Subduktion der kontinentalen Kruste angegliedert oder verlieren
einen großen Teil ihres Bleis im Zuge von Entwässerungs- und Schmelzprozessen während der Subdukti-
91

on der ozeanischen Lithosphäre. Dieser Prozeß könnte zu einer Zunahme des U/Pb und Th/Pb im Mantel
in geologische Zeiträume führen und die abweichende Fraktionierung im (U,Th)/Pb-system erklären.
In der ersten Projektphase wurden 371 DSDP/ODP-Kerne aus dem Pazifik auf ihre Konzentration und
Verteilung von metallreichen Sedimenten hin untersucht. Die Ergebnisse zeigen, daß metallreiche Sedimente
vor allem im untersten Teil der Sedimentsäule weit verbreitet sind. Sie machen etwa 1,5 bis 2
Volumenprozent der pazifischen Sedimente aus. Die Konzentration schwankt regional stark und kann bis
zu 40 Volumenprozent der Gesamtsedimentmenge erreichen.
Bleiisotopen-Untersuchungen an 38 Proben von 13 ausgewählten DSDP/ODP-Kernen des Ostpazifiks
(52 ◦ N bis 63 ◦ S) zeigen, daß metallreiche Sedimente Mischungslinien zwischen radiogenen pelagischen
Sedimenten (EM I) und ozeanischen basalten (MORB, HIMU) definieren. Die 206 Pb/ 204 Pb, 207 Pb/ 204 Pb
und 208 Pb/ 204 Pb variieren zwischen 18,274 und 19,234, 15,504 und 15,685 sowie 37,894 uund 38,945. Die
Anteile der beiden Mischungs-Endglieder können aus den Isotopenzusammensetzungen und Bleikonzentrationen
berechnet werden. Die starke isotopische Variabilität normaler pelagischer Sedimente ist Ausdruck
der kurzen Verweildauer des Bleis im Meerwasser und spiegelt regionale Einflüsse wider. Deshalb sollte den
Berechnungen nicht, wie bisher üblich, ein Mittelwert (z.B. der Schwerpunkt des Manganknollen-Feldes)
für pelagische Sedimente als rediogenes Endglied zu Grunde gelegt, sondern die radiogene Isotopenzusammensetzung
des betreffenden kernes verwendet werden. Die Anteile des basaltischen (Mantel-) Endgliedes
liegen in den untersuchten proben zwischen 0 und 90 Prozent.
Vorläufige Abschätzungen über die Effizienz der hydrothermalen Laugung des Bleis aus der ozeanischen
Kruste deuten auf einen Blei-Verlust von etwa einem Drittel hin. Unter der Annahme, daß die heutige
Produktionsrate an Ozeankruste und die Laugungseffizienz für die gesamte Erdgeschichte als Minimalwerte
angesehen werden können, kann die Bleiverarmung des Erdmantels abgeschätzt werden. Der obere Mantel
(10 ng/g Pb) verliert danach etwa 6 % seines Bleis in 100 Millionen Jahren. Der ursprüngliche, primitive
Erdmantel (175 ng/g Pb) hat seit der Entstehung der Erde mindestens 4,3 % des Bleis verloren. Mit dem
untersuchten Prozeß lassen sich demnach mindestens ein Drittel des Blei-Überschusses, den die kontinentale
Kruste im Vergleich zu mäßig inkompatiblen Elementen bei der Erdkrustenbildung wie Sr und den leichten
Seltenen Erden hat, erklären.
10.1.6 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Bange, H.W., U.H. Bartell, S. Rapsomanikis and M.O. Andreae (1994): Methane in the Baltic and North
Seas and a reassessment of the marine emissions of methane, Global Biogeochem. Cycles, 8, 465-480.
Bange, H.W., S. Rapsomanikis and M.O. Andreae (1996): The Aegean Sea as a source of atmospheric
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Bange, H.W., S. Rapsomanikis and M.O. Andreae (1996): Nitrous oxide in coastal waters, Global Biogeochem.
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of the 7th European Symposium on Physico-Chemical Behaviour of Atmospheric Pollutants: The oxidizing
Capacity of the Troposphere, pp 472-475, Office for Official Publications of the European Communities,
Luxembourg (EUR 17482) ISBN 92-828-0158-6.
Wilhelm, C., Bida, J., Domin,A., Hilse, C., Kaiser, B., Kesselmeier, J., Lohr, M. and Müller, A.M. (1997)
Interaction between global climate change and the physiological responses of algae. Photosynthetica 33,
491-503.
Zaady, E., Kuhn, U., Wilske, B., Sandoval-Soto, L. and Kesselmeier, J. (2000) Patterns of CO2 exchange
in biological crusts of successional age. Soil Biology and Biochemistry 32, 959-966.
10.2 Luftchemie
Prof. Dr. P. Crutzen und Mitarbeiter
10.2.1 Messung und Interpretation von 13 C, 14 C, 17 O und 18 O Variationen in Atmosphärischem
Kohlenmonoxid
Bearbeiter: Dipl.-Chem. Thomas Röckmann
Hauptbetreuer: Prof. Dr. P. Crutzen
Isotopenbestimmungen an atmosphärischen Spurengasen werden in zunehmendem Maße zur Untersuchung
ihrer Quellen und Senken sowie zur Identifikation von chemischen Reaktionswegen eingesetzt. Im Falle von
CO existieren vier seltene Isotope, 13 C, 14 C, 17 O und 18 O. Eine vollständige Analytik zur gleichzeitigen
Bestimmung aller vier Isotopensignaturen wurde in dieser Arbeit entwickelt.
Ausgeprägte saisonale Schwankungen der Isotopenzusammensetzung von CO wurden an Reinluftproben,
die regelmäßig an unterschiedlichen Stationen genommen werden, beobachtet. Die Interpretation dieser
Schwankungen ist nützlich für das Verständnis des globalen CO Zyklus. Insbesondere wurden zwei bisher
unbekannte Phänomene identifiziert.
Die unabhängige Bestimmung von δ 17 O und δ 18 O an atmosphärischem CO zeigt eine beträchtliche massenunabhängige
Fraktionierung in den Sauerstoffisotopen. Mit Hilfe von Laborexperimenten wurden die
Hauptquellen dieser neuentdeckten Isotopensignatur identifiziert. Von großer Bedeutung ist, daß in der
Senkenreaktion von CO mit OH das verbleibende CO einen Überschuß an 17 O aufbaut. Weiterhin wird
massenunabhängig fraktionierter Sauerstoff von O3 bei der Ozonolyse ungesättiger Kohlenwasserstoffe auf
CO übertragen.
Während Episoden troposphärischen Ozonabbaus im Arktischen Frühling werden erniedrigte Werte von
δ 13 C(CO) gemeinsam mit erniedrigten Ozonmischungverhältnissen beobachtet. Dies wird durch die Produktion
von stark 13 C abgereichertem CO in der Reaktion von Cl mit CH4 bei erhöhten Cl Mischungsverhältnissen
verursacht. Die Auswertung der δ 13 C Abweichungen ermöglicht die Quantifizierung von Cl
Mischungsverhältnissen während dieser Ozonabbauereignisse, und die Ergebnisse sind in Übereinstimmung
95

mit unabhängigen Untersuchungen.
10.2.2 Anomalien ozonchemisch relevanter Spurengase, Feldmessungen und Modellierung
Bearbeiter: Dipl.-Chem. Andreas Waibel
Hauptbetreuer: Prof. Fischer, MPI für Chemie
Es wurden flugzeuggetragene in situ Messungen von verschiedenen atmosphärischen Spurengasen im Rahmen
des EUProjektes STREAMII an Bord einer Cessna Citation II in der oberen Troposphäre und unteren
Stratosphäre durchgeführt.
In einem ersten Feldexperiment mit Ausgangspunkt Amsterdam wurden im Juli 1994 über Europa in einem
Höhenbereich von 9 – 12 km stark erhöhte Werte von Kohlenmonoxid (CO) gemessen. In der oberen
Troposphäre konnten Werte bis zu 600 ppbv beobachtet werden. In der unteren Stratosphäre variierten
die Konzentrationen zwischen typischen Hintergrundwerten von ≈ 40 ppbv und stark erhöhten Werten
von ≈ 300 ppbv. Trajektorienberechnungen zeigen, daß die wahrscheinlichste Ursache dafür boreale Feuer
sind. Solche Feuer können aufgrund ihrer Energiefreisetzung Konvektionen verursachen, die bis in die obere
Troposphäre und gelegentlich sogar bis in die untere Stratosphäre reichen. CO hat einen direkten Einfluß
auf die Bildung und Zerstörung von Ozon. Störungen des Ozonhaushalts im Tropopausenbereich und der
unteren Stratosphäre haben einen verstärkten Einfluß auf das Strahlungsgleichgewicht der Erde.
In einem zweiten Feldexperiment mit Ausgangspunkt Kiruna wurden im Februar 1995 stark erhöhte Konzentrationen
von reaktiven Stickstoffverbindungen (NOy) in der unteren arktischen Stratosphäre mit maximalen
Werten von 9 ppbv beobachtet. Zur Erklärung dieser Beobachtung ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit
ein Modell entwickelt worden, welches die Bildung und gravitationsbedingte Sedimentation von Eisteilchen
sowie die daraus resultierende räumliche Umverteilung von Salpetersäure (HNO3) und Wasser (H2O) in
der arktischen Stratosphäre auf der Basis von ECMWF Daten simuliert. Die Modellergebnisse zeigen – bei
Berücksichtigung eines Coating Mechanismus für Eisteilchen aufgrund von Salpetersäuretrihydrat (NAT)
– eine substantielle vertikale Umverteilung von NOy (Denitrifizierung und Nitrifizierung) der arktischen
Stratosphäre im Winter 1994/95. Der Prozeß der Denitrifizierung wird als eine wesentliche Voraussetzung
für einen großskaligen Ozonabbau in der polaren Stratosphäre betrachtet.
Der CONachweis erfolgte durch Absorptionsspektroskopie mit Hilfe von abstimmbaren Diodenlasern (TD-
LAS). FÜr den NOyNachweis sind die reaktiven Stickstoffverbindungen in einem beheizten Goldkonverter
unter Zugabe von CO zu Stickstoffoxid (NO) reduziert worden. NO wurde anschließend mit einem Chemilumineszensdetektor
(CLD) nachgewiesen.
10.2.3 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg
Brenninkmeijer, C.A.M., C. Köppel, T. Röckmann, D. Scharffe, M. Bräunlich and V. Gros, Absolute
measurement of the abundance of atmospheric carbon monoxide J. Geophys. Res., in press, 2000.
Rom, W., C.A.M. Brenninkmeijer, M. Bräunlich, R. Golser, M. Mandl, A. Kaiser, W. Kutschera, A. Priller,
S. Puchegger, T. Röckmann, and P. Steier, A detailed 2-year record of atmospheric 14 CO in the temperate
northern hemisphere, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 161, 780-785, 2000.
Röckmann, T., J. Kaiser, J.N. Crowley, R. Borchers, W.A. Brand, and P.J. Crutzen, The isotopic enrichment
of nitrous oxide (15N14NO, 14N15NO, 14N14N18O) in the stratosphere and in the laboratory, submitted
to J. Geophys. Res., 2000.
Johnston, J.C., T. Röckmann, and C.A.M. Brenninkmeijer, Laboratory and modeling studies of CO2 and
O(1D) isotopic exchange, J. Geophys. Res., 105, 15213-15229, 2000.
Röckmann, T., C.A.M. Brenninkmeijer, M. Wollenhaupt, J.N. Crowley, and P.J. Crutzen, Measurement of
96

the isotopic fractionation of 15N14N16O, 14N15N16O and 14N14N18O in the UV photolysis of nitrous
oxide, Geophys. Res. Lett., 27, 1399-1402, 2000.
Kato, S., J. Kajii, H. Akimoto, M. Bräunlich, T. Röckmann, and C.A.M. Brenninkmeijer, Observed and
modeled seasonal variation of 13 C, 18 O and 14 C of atmospheric CO at Happo, a remote site in Japan, and
a comparison with other records, J. Geophys. Res., 105, 8891-8900, 2000.
Kaiser, J., T. Röckmann, and C.A.M. Brenninkmeijer, Offline extraction and analysis of all N2O isotopomers
in tropospheric air, in preparation, 2000.
Röckmann, T., C.A.M. Brenninkmeijer, M. Hahn, and N.F. Elanksy, CO mixing and isotope ratios across
Russia; Trans-Siberian Railroad Expedition TROIKA 3, April 1997, Chemosphere, 1, 219-231, 1999.
Brenninkmeijer, C.A.M., and T. Röckmann, Mass spectrometry of the intramolecular nitrogen isotope
distribution of environmental nitrous oxide using fragment-ion analysis, Rap. Comm. Mass Spectrom., 13,
2028-2033, 1999.
Kato, S., H. Akimoto, M. Bräunlich, T. Röckmann, and C.A.M. Brenninkmeijer, Measurements of stable
carbon and oxygen isotopic composition of CO in automobile exhausts and ambient air from semi-urban
Mainz, Germany, Geochem. J., 33, 73-77, 1999.
Rom, W., C.A.M. Brenninkmeijer, W. Kutschera, A. Priller, S. Puchegger, C.B. Ramsey, T. Röckmann,
and P. Steier, Methodological aspects of 14CO measurements with AMS, submitted to Nucl. Instr. Meth.
Phys. Res. B, 1999.
Brenninkmeijer, C.A.M., T. Röckmann, M. Bräunlich, P. Jöckel, and P. Bergamaschi, Review of Progress
in Isotope Studies of Atmospheric Carbon Monoxide, Chemosphre: Global Change Science, 1, 33-52, 1999.
Röckmann, T., C.A.M. Brenninkmeijer, P.J. Crutzen, and U. Platt, Short term variations in the 13 C/ 12 C
ratio of CO as a measure of Cl activation during tropospheric ozone depletion events in the Arctic, J.
Geophys. Res., 104, D1, 1691-1697, 1999.
Kato, S., H. Akimoto, T. Röckmann, M. Bräunlich, and C.A.M. Brenninkmeijer, Stable isotopic compositions
of carbon monoxide from biomass burning experiments, Atmosph. Environm., 33, 4357-4362,
1999.
Röckmann, T., and C.A.M. Brenninkmeijer, The error in conventionally reported 13 C/ 12 C ratios of atmospheric
CO due to the presence of mass independent oxygen isotope enrichment, Geophys. Res. Lett., 25,
3163-3166, 1998.
Bergamaschi, P., C.A.M. Brenninkmeijer, M. Hahn, T. Röckmann, D.H. Scharffe, and P.J. Crutzen, Isotope
analysis based source identification for atmospheric CH4 and CO across Russia using the Trans-Siberian
railroad, J. Geophys. Res., 1998.
Röckmann, T., C.A.M. Brenninkmeijer, G. Saueressig, P. Bergamaschi, J. Crowley, H. Fischer, and P.J.
Crutzen, Mass independent fractionation of oxygen isotopes in atmospheric CO due to the reaction CO +
OH, Science, 281, 544-546, 1998.
Röckmann, T., Measurement and interpretation of 13 C, 14 C, 17 O and 18 O variations in atmospheric carbon
monoxide, Ph.D. thesis, University of Heidelberg, Heidelberg, 1998.
Röckmann, T., C.A.M. Brenninkmeijer, P. Neeb, and P.J. Crutzen, Ozonolysis of nonmethane hydrocarbons
as a source of the observed mass independent oxygen isotope enrichment in tropospheric CO, J. Geophys.
Res., 103, 1463-1470, 1998.
Brenninkmeijer, C.A.M., and T. Röckmann, A rapid method for the preparation of O 2 from CO 2 for mass
spectrometric analysis of 17O/16O ratios, Rap. Commun. Mass Spectrom., 12, 479-483, 1998.
Crutzen, P.J., N.F. Elansky, M. Hahn, G.S. Golitsyn, C.A.M. Brenninkmeijer, D.H. Scharffe, I.B. Belikov,
M. Maiss, P. Bergamaschi, T. Röckmann, A.M. Grisenko, and V.M. Sevostyanov, Trace gas measurements
97

etween Moscow and Vladivostok using the Trans-Siberian railroad, J. Atmosph. Chem., 29, 179-194,
1998.
Brenninkmeijer, C.A.M., and T. Röckmann, Using isotope analysis to improve atmospheric CO budget
calculations, in International Symposium on Isotope Techniques in the Study of Past and Current Environmental
Changes in the Hydrosphere and the Atmosphere, edited by P. Murphy, pp. 69-77, International
Atomic Energy Agency, Vienna, Austria, 1998.
Röckmann, T., and C.A.M. Brenninkmeijer, CO and CO 2 isotopic composition in Spitsbergen during the
1995 ARCTOC campaign, Tellus, 49B, 455-465, 1997.
Brenninkmeijer, C.A.M., and T. Röckmann, Principal factors determining the 18 O/ 16 O ratio of atmospheric
CO as derived from observations in the southern hemispheric troposphere and lowermost stratosphere, J.
Geophys. Res., 102, 25477-25485, 1997.
Brenninkmeijer, C.A.M., and T. Röckmann, Russian doll type cryogenic traps: Improved design and isotope
separation effects, Anal. Chem., 68 (17), 3050-3053, 1996.
Dissly, R.W., J.B. Miller, P.P. Tans, T. Röckmann, J.W.C. White, and M. Trolier, A technique to measure
the carbon isotopic ratio in atmospheric methane from small air samples, EOS Trans., abstracts, AGU fall
meeting 1995, F68, 1995.
Röckmann, T., Feasibility of measuring 13 C in atmospheric methane from small air samples using a cryofocused
gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry technique, M.Sc. thesis, University of Colorado,
Boulder, 1994.
98

11 Statistische Angaben zu Kollegiaten / Stipendiaten
In diesem Abschnitt werden Daten über den Studien- und Promotionsverlauf sowie zum beruflichen Werdegang
nach Verlassen des GK zu allen Kollegiaten / Stipendiaten zusammengestellt.
Albrecht, Jörg
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Sipendiat Juli 1994 - Juni 1995
Grund für Ausscheiden feste Anstellung außerhalb der Universität
1. Hochschulabschluß Mainz, 1994
Abgabe der Dissertation ./.
Promotion ./.
Alter bei Abschluß der Promotion ./.
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Bibliothekar
Albus, Frank
Arbeitsgruppe Prof. Kluge, Institut für Physik
Status D-Sipendiat Januar 1991 - März 1994
Grund für Ausscheiden Förderungsende, Promotion
1. Hochschulabschluß Bonn, September 1989
Abgabe der Dissertation 1994
Promotion März 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen 2. Symposium über ” Massenspektrometrische Verfahren
der Elementspurenanalyse“, Regensburg, 1993;
Frühjahrstagung der DPG, Berlin, 1993; Frühjahrstagung
der DPG, Hamburg, 1994
Weitere Tätigkeit Postdoc am Institut für Physik
Ames, Friedhelm
Arbeitsgruppe Prof. Kluge, Institut für Physik
Status PD-Sipendiat Januar 1991 - März 1992
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion Mainz, 1990
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Verbleib am Institut für Physik
Appel, Holger
Arbeitsgruppe Prof. von Platen, Institut für Geowissenschaften
Status D-Sipendiat Januar 1991 - Dezember 1992
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
1. Hochschulabschluß Mainz, 1990
Abgabe der Dissertation 1993
Promotion Mainz, August 1993
Alter bei Abschluß der Promotion 29
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Projektleiter in Umweltlabor
99

Bange, Hermann
Arbeitsgruppe Prof. Andreae, MPI für Chemie
Status Kollegiat ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß 1990
Abgabe der Dissertation 1994
Promotion März 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Postdoc am MPI für Chemie
Blaum, Klaus
Arbeitsgruppe Prof. Otten, Institut für Physik
Status D-Sipendiat Dezember 1997 - September 2000
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Oktober 1997
Abgabe der Dissertation Juli 2000
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion 28
Auslandsaufenthalte / Tagungen DPG FV-Massenspektrometrie, Mainz 1997; 30. AGMS-
Tagung, Konstanz 1997; InCom-Tagung, Düsseldorf
1997; AGMS-Tagung, Cottbus 1998; 9th RIS Symposium,
Manchester 1998; 14. ICP-MS-Tagung, Mainz
1999; DPG FV-Massenspektrometrie, Heidelberg 1999;
32. DGMS-Tagung, Oldenburg 1999; 31st EGAS Conference,
Marseille 1999; 33. DGMS-Tagung, Berlin 2000;
DPG FV-Atomphysik, Bonn 2000
Weitere Tätigkeit Postdoc am CERN
Blaum, Peter
Arbeitsgruppe Prof. Hofmeister, Institut für Geowissenschaften
Status D-Sipendiat April 1998 - September 2000
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, März 1998
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion 28
Auslandsaufenthalte / Tagungen ICAME (August 1999, Garmisch-Partenkirchen); Jahrestagung
der Deutschen mineralogischen Gesellschaft
(August 1999, Wien); ISIAME 2000, Virginia Beach
(USA); Jahrestagung der Deutschen Mineralogischen Gesellschaft
(September 2000, Heidelberg)
Weitere Tätigkeit ./.
100

Bode, Kirsten
Arbeitsgruppe Dr. Kesselmeier, MPI für Chemie
Status D-Sipendiat Februar 1991 - Juli 1993;
März 1994 - Mai 1994, dazw. Kollegiatin
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Hamburg, April 1990
Abgabe der Dissertation September 1994
Promotion September 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen Botaniker-Tagungen in Bayreuth (1992 und 1994);
BIATEX-Workshop in Madrid (1995); BIATEX-Tagung
in Garmisch-Partenkirchen (1995)
Weitere Tätigkeit Postdoc am MPI, Redakteurin beim ZDF
Brinkmann, Jutta
Arbeitsgruppe Prof. Jaenicke, Institut für Physik der Atmosphäre
Status a) D-Sipendiat Januar 1991 - März 1994;
b) PD-Stipendiatin Juni 1995 - April 1996
Grund für Ausscheiden a) und b) Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, August 1990
Abgabe der Dissertation März 1995
Promotion Mai 1995
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen CLEOPATRA-Workshop (Oberpfaffenhofen, 1993);
EURASAP-Workshop (Braunschweig, 1994); Praktische
Oberflächenanalytik (Karlsruhe, 1994); European
Aerosol Conference (Helsinki, 1995)
Weitere Tätigkeit a) Fertigstellung der Dissertation;
b) wissenschaftl. Mitarbeiterin KF Jülich
Conrad, Roswitha
Arbeitsgruppe Prof. Wilhelm, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiatin Januar 1991 - Februar 1994
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Oktober 1990
Abgabe der Dissertation Februar 1994
Promotion März 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Forschungskoordinatorin Pharma-Industrie
Deutrich, Thomas
Arbeitsgruppe Prof. Gaupp, Institut für Geowissenschaften
Status PD-Stipendiat April 1994 - Juni 1994
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion 1993
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit unbekannt
101

Dietz, Bernhard
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status PD-Stipendiat November 1991 - Juni 1992
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion November 1991
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
Engel, Christoph
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiat November 1993 - September 1996
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
1. Hochschulabschluß Mainz, Mai 1993
Abgabe der Dissertation Februar 1997
Promotion März 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Wiss. Mitarbeiter, Inst. für Allgemeine Botanik
Engel, Michael
Arbeitsgruppe Prof. Nagel, Institut für Zoologie
Status PD-Stipendiat März 1994 - September 1994
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion Januar 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit unbekannt
Enzmann, Frieder
Arbeitsgruppe Prof. Schenk, Institut für Geowissenschaften
Status D-Stipendiat April 1997 - März 2000
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Dezember 1996
Abgabe der Dissertation Juli 2000
Promotion Oktober 2000
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Fertigstellung der Dissertation
Fischer, Ralf
Arbeitsgruppe Prof. Baumann, Institut für Physikalische Chemie
Status D-Stipendiat Februar 1991 - April 1994
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, September 1990
Abgabe der Dissertation Oktober 1994
Promotion Dezember 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit unbekannt
102

Füll, Christine
Arbeitsgruppe Prof. Nagel, Institut für Zoologie
Status D-Stipendiatin Dezember 1992 - August 1994
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
1. Hochschulabschluß Oktober 1992
Abgabe der Dissertation November 1996
Promotion Dezember 1996
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit wissenschaftl. Mitarbeiterin beim GDCh-
Beratergremium für umweltrelevante Altstoffe (BUA)
Griebeler, Eva-Maria
Arbeitsgruppe Prof. Seitz, Institut für Zoologie
Status PD-Stipendiatin Juli 1998 - Juni 1999
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion Februar 1998
Alter bei Abschluß der Promotion 35
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Wiss. Mitarbeiterin am Inst. für Zoologie
Gruber, Sabine
Arbeitsgruppe Prof. Jaenicke, Institut für Physik der Atmosphäre
Status D-Stipendiatin März 1996 - April 1998
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Februar 1996
Abgabe der Dissertation August 2000
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Fertigstellung der Dissertation
Grüning, Carsten
Arbeitsgruppe Dr. Trautmann, Institut für Kernchemie
Status D-Stipendiat Januar 1998 - September 2000
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Oktober 1997
Abgabe der Dissertation September 2000
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen RIS-Konferenz in Manchester 1998
Weitere Tätigkeit Abschluß der Promotion
103

Hannemann, Anke
Arbeitsgruppe Prof. Pruppacher, Institut für Physik der Atmosphäre
Status D-Stipendiatin März 1991 - August 1994
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Dezember 1990
Abgabe der Dissertation August 1994
Promotion September 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit wiss. Mitarbeiterin
Hartmann, Berndt
Arbeitsgruppe Prof. Gaupp, Institut für Geowissenschaften
Status D-Stipendiat April 1994 - März 1997
Grund für Ausscheiden Förderungsende / Promotion
1. Hochschulabschluß Mainz, Oktober 1993
Abgabe der Dissertation März 1997
Promotion Mai 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit unbekannt
Hasse, Hans-Ulrich
Arbeitsgruppe Prof. Huber, Institut für Physik
Status D-Stipendiat April 1993 - April 1996
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, April 1993
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion ./.
Auslandsaufenthalte / Tagungen 2. Symposium über ” Massenspektrometrische Verfahren
der Elementspurenanalyse“, Regensburg, 1993;
Frühjahrstagung der DPG, Berlin, 1993; Frühjahrstagung
der DPG, Hamburg, 1994; 7th International Symposium
on Resonance Ionization Spectroscopy, Bernkastel-Kues,
1994; Frühjahrstagung der DPG, Innsbruck, 1995
Weitere Tätigkeit Mitarbeiter Landesbank RLP,
Fertigstellung der Dissertation
Heidenreich, Andreas
Arbeitsgruppe Prof. Seitz, Institut für Zoologie
Status D-Stipendiat Januar 1997 - Dezember 1998
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
1. Hochschulabschluß Mainz, Dezember 1995
Abgabe der Dissertation März 2000
Promotion Mai 2000
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen GFÖ, Bonn, 1996;
DZG, Mainz, 1997
Weitere Tätigkeit Softwareentwickler
104

Heinig, Sabine
Arbeitsgruppe Prof. Heidt, Geographisches Institut
Status a) D-Stipendiatin Juli 1993 - Juni 1996;
b) PD-Stipendiatin Juli 1996 - Dezember 1996
Grund für Ausscheiden a) und b) Förderungsende
1. Hochschulabschluß Münster, Juni 1989
Abgabe der Dissertation Dezember Mai 1996
Promotion Juni 1996
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Umweltbehörde der Stadt Mainz
Hilse, Christine
Arbeitsgruppe Prof. Wilhelm, Institut für Allgemeine Botanik
Status Kollegiatin ohne Stipendium bis Juli 1995;
D-Stipendiatin August 1995 - September 1996
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Mai 1992
Abgabe der Dissertation 1998
Promotion 1998
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Postdoc an MPI und Universität Dundee
Hofmann, Stephan
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeiner Botanik
Status D-Stipendiat April 1994 - Mai 1994
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
1. Hochschulabschluß Dezember 1993
Abgabe der Dissertation ./.
Promotion ./.
Alter bei Abschluß der Promotion ./.
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
Holthues, Heike
Arbeitsgruppe Prof. Baumann, Institut für Physikalische Chemie
Status PD-Stipendiatin September 1998 - August 1999
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion Mainz, Juli 1998
Alter bei Abschluß der Promotion 34
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit wiss. Mitarbeiterin am Anatomischen Institut der Universität
Mainz
105

Hryk, Renate
Arbeitsgruppe Prof. Wilhelm, Institut für Allgemeiner Botanik
Status Kollegiatin bis März 1994, D-Stipendiatin April 1994 -
September 1994
Grund für Ausscheiden Förderunsende
1. Hochschulabschluß Mainz, September 1990
Abgabe der Dissertation September 1994
Promotion Januar 1995
Alter bei Abschluß der Promotion 34
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit unbekannt
Johannesen, Jes
Arbeitsgruppe Prof. Seitz, Institut für Zoologie
Status PD-Stipendiat März 1997 - Februar 1998
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion Februar 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen DFG - Evolution von Sozialsystemen, November 1997,
Bonn;
DZG-Tagung Main 1997, Mainz
Weitere Tätigkeit Wiss. Angestellter am Inst. für Zoologie
Kaiser, Bettina
Arbeitsgruppe Prof. Wilhelm, Institut für Allgemeiner Botanik
Status D-Stipendiatin Dezember 1994 - Dezember 1996
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Dezember 1992
Abgabe der Dissertation 1997
Promotion 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit unbekannt
Kandlbinder, Thomas
Arbeitsgruppe Prof. Zdunkowski, Institut für Physik der Atmosphäre
Status D-Stipendiat August 1994 - Oktober 1997
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Heidelberg, März 1994
Abgabe der Dissertation November 1997
Promotion Januar 1998
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Wiss. Mitarbeiter AWI Potsdam
106

Kaus-Thiel, Andrea
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiatin Juli 1995 - Juni 1998
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, November 1994
Abgabe der Dissertation Juli 1998
Promotion September 1998
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen 17th International Meeting for Specialists in Air Pollution,
Effects on Forest Ecosystems, Florence, Italy 14-19
September, 1996
Weitere Tätigkeit Mutter
Kirkman, Grant A.
Arbeitsgruppe Dr. Meixner, MPI für Chemie
Status D-Stipendiat Juli 1998 - September 2000
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Pietermaritzburg (R.S.A.), 1988
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen 5th International Aerosol Conference, Edinburgh, U.K.,
1998; European Geophysical Society XXV General Assembly,
Nizza, 2000; First Scientific Conference of the
Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia,
Belem, Pará, 2000; Forschungsaufenthalt: Grassland
Research Station Marondera, Zimbabwe, 1998
Weitere Tätigkeit Fertigstellung der Dissertation
Kleiner, Roman
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiat Januar 1991 - Dezember 1993
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Kaiserslautern, Dezember 1998
Abgabe der Dissertation 1994
Promotion Januar 1995
Alter bei Abschluß der Promotion 33
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
Kleisinger, Harald
Arbeitsgruppe Prof. Seitz, Institut für Zoologie
Status D-Stipendiat Oktober 1993 - September 1996
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, November 1992
Abgabe der Dissertation Mai 1998
Promotion Juli 1998
Alter bei Abschluß der Promotion 34
Auslandsaufenthalte / Tagungen
” Fischsymposium“, Oktober 1995, Pruchten
Weitere Tätigkeit Projektkoordinator Bayer. Landesamt für Umweltschutz
107

Köhler, Stefan
Arbeitsgruppe Dr. Trautmann, Institut für Kernchemie
Status Kollegiat ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Mainz, März 1991
Abgabe der Dissertation November 1995
Promotion Dezember 1995
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Softwareentwickler
Kosuch, Joachim
Arbeitsgruppe Prof. Seitz, Institut für Zoologie
Status D-Stipendiat August 1995 - Juli 1998
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, April 1994
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen Population Genetics Group, 29th Annual Meeting, Bangor,
Wales, 1996; Population Genetics Group, 30th Annual
Meeting, Edinburgh, Schottland, 1997; Third World
Congress of Herpetology, Prag, 1997; 8th OGM of the
Societas Europaea Herpetologica, Chambery, Frankreich,
1998; 9th OGM of the Societas Europaea Herpetologica,
Heraklion, Griechenland, 1999; Vierwöchiger Forschungsaufenthalt
in Nord-Borneo (Malaysia), 1994
Weitere Tätigkeit Fortführung der Promotion
Koutsenoguii, Pjotr
Arbeitsgruppe Prof. Jaenicke, Institut für Physik der Atmosphäre
Status Kollegiat ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Novosibirsk, 1990
Abgabe der Dissertation November 1992
Promotion Dezember 1992
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Forschungsinstitut Belgien
Kuhn, Uwe
Arbeitsgruppe Dr. Kesselmeier, MPI für Chemie
Status Kollegiat ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Mainz, September 1993
Abgabe der Dissertation 1997
Promotion 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Postdoc am MPI
108

Kurz, Claudia
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiatin Februar 1996 - Januar 1999
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, September 1995
Abgabe der Dissertation März 1999
Promotion Mai 1999
Alter bei Abschluß der Promotion 39
Auslandsaufenthalte / Tagungen 17th International Meeting for Specialists in Air Pollution,
Effects on Forest Ecosystems, Florence, Italy 14-19
September, 1996
Weitere Tätigkeit Wiss. Mitarbeiterin Inst. für Allgemeine Botanik
Lantzsch, Jörg
Arbeitsgruppe Prof. Otten, Institut für Physik
Status D-Stipendiat Januar 1994 - September 1995
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, 1992
Abgabe der Dissertation Dezember 1995
Promotion Februar 1996
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit HiWi, dann GSI Darmstadt
Larisch (geb. Strobel), Petra
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status Kollegiatin ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Mainz, 1989
Abgabe der Dissertation November 1993
Promotion Dezember 1993
Alter bei Abschluß der Promotion 33
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Mutter
Lauchert-Massalha, Ulrike
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeiner Botanik
Status Kollegiatin ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Mainz, Januar 1991
Abgabe der Dissertation September 1994
Promotion November 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 29
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Forschungsinstitut
109

Li, Quian
Arbeitsgruppe Prof. Zimmermann, Institut für Physik der Atmosphäre
Status D-Stipendiatin Januar 1994 bis Februar 1997
Grund für Ausscheiden Förderungsende, Abbruch der Promotion wegen Erkrankung
1. Hochschulabschluß Mai 1990
Abgabe der Dissertation ./.
Promotion ./.
Alter bei Abschluß der Promotion ./.
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Softwareentwicklerin
Lohr, Martin
Arbeitsgruppe Prof. Wilhelm, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiat März 1994 - August 1996
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Dezember 1992
Abgabe der Dissertation August 2000
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion 35
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Forschungsaufenthalt USA
Mense-Stefan, Anne
Arbeitsgruppe Prof. Preuß, Geographisches Institut
Status D-Stipendiatin Januar 1998 - September 2000
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Oktober 1997
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Fertigstellung der Dissertation
Müller, Anna-Maria
Arbeitsgruppe Prof. Wilhelm, Institut für Allgemeiner Botanik
Status a) D-Stipendiatin April 1991 - März 1994;
b) PD-Stipendiatin Juni 1995 - August 1995
Grund für Ausscheiden a) und b) Förderungsende
1. Hochschulabschluß Januar 1991
Abgabe der Dissertation Januar 1995
Promotion März 1995
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Forschungstaetigkeit im Bereich des IOW
110

Müller, Peter
Arbeitsgruppe Prof. Otten, Institut für Physik
Status D-Stipendiat April 1997 - März 2000
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, November 1996
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Fertigstellung der Dissertation
Neuhaus, Anke
Arbeitsgruppe Prof. von Platen, Institut für Geowissenschaften
Status D-Stipendiatin März 1991 - Februar 1994
Grund für Ausscheiden Promotion
1. Hochschulabschluß Freiburg, November 1988
Abgabe der Dissertation Februar 1994
Promotion Februar 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 34
Auslandsaufenthalte / Tagungen
Weitere Tätigkeit Weidereingliederungsstipendium, Mannheim
Oertel, Detlef
Arbeitsgruppe Prof. Seitz, Institut für Zoologie
Status PD-Stipendiat März 1992 - Februar 1993
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion 1992
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Wiss. Mitarbeiter am Inst. für Zoologie
Peucker-Ehrenbrink, Bernhard
Arbeitsgruppe Prof. Andreae, MPI für Chemie
Status Kollegiat ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Göttingen, Juni 1989
Abgabe der Dissertation Juni 1994
Promotion Oktober 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 33
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Forschungsinstitut
Peuser, Dieter
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiat Oktober 1994 - Januar1996
Grund für Ausscheiden Promotion
1. Hochschulabschluß Dezember 1993
Abgabe der Dissertation Dezember 1995
Promotion Januar 1996
Alter bei Abschluß der Promotion 33
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
111

Ries, Roland
Arbeitsgruppe Prof. Zdunkowski, Institut für Physik der Atmosphäre
Status D-Stipendiat August 1991 - September 1993
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle, 1995 Abbruch der Dissertation
1. Hochschulabschluß Juni 1991
Abgabe der Dissertation ./.
Promotion ./.
Alter bei Abschluß der Promotion ./.
Auslandsaufenthalte / Tagungen Symposium Lahmeyer International, Berlin, 1994; VDI-
Seminar ” Ausbreitung von Kfz-Emissionen“, Düsseldorf,
1994; 3rd Workshop on ” Harmonisation within Atmospheric
Dispersion Modelling for Regulatory Purposes“,
Mol, Belgium, 1994; 21st NATO/CCMS International
Technical Meeting on Air Pollution Modelling and its Application,
Baltimore, USA, 1995
Weitere Tätigkeit Ingenieurbüro
Röckmann, Thomas
Arbeitsgruppe Prof. Crutzen, MPI für Chemie
Status Kollegiat ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Boulder (USA), 1994
Abgabe der Dissertation April 1998
Promotion Heidelberg, April 1998
Alter bei Abschluß der Promotion 28
Auslandsaufenthalte / Tagungen EGS 1996 und 1998 (Den Haag); AGU 1997 (San Francisco);
Arbeitsgemeinschaft Stabile Isotope 1999 (Braunschweig);
International Conference on CO, 1998 (Seattle);
Workshop for young scientists in atmospheric chemistry,
1998 (Boulder) Internationale Konferenz über
Isotopenmessungen in Wasser und Luft, 1997 (Wien)
Weitere Tätigkeit Postdoc am MPI für Chemie
Scheuermann, Ralph
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status a) D-Stipendiat Januar 1991 - Dezmeber 1992;
b) PD-Stipendiat Januar 1993 - Dezember 1993
Grund für Ausscheiden a) Promotion b) Förderungsende
1. Hochschulabschluß Kaiserslautern, Juli 1989
Abgabe der Dissertation November 1992
Promotion Dezember 1992
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
112

Schmidt, Wieland
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiat November 1998 - Januar 2000
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
1. Hochschulabschluß 1998
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Referendariat
Schmitt, Harald
Arbeitsgruppe Prof. Schenk, Institut für Geowissenschaften
Status D-Stipendiat Januar 1997 - Dezember 1999
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Juli 1996
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Fertigstellung der Dissertation
Schmitt, Thomas
Arbeitsgruppe Prof. Seitz, Institut für Zoologie
Status D-Stipendiat November 1996 - Oktober 1999
Grund für Ausscheiden Förderungsende, Promotion
1. Hochschulabschluß Saarbrücken, Februar 1996
Abgabe der Dissertation November 1999
Promotion Dezember 1999
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen EIS-Symposium, Debrecen, 1997; DZG-
Graduiertentreffen Evolutionsbiologie, Kiel, 1998;
GFÖ-Tagung, Ulm, 1998; DZG-Graduiertentreffen
Evolutionsbiologie, München, 1999;
pulationsökologie von Tagfaltern“,
Workshop Po-
”
Leipzig, 1999;
DZG-Tagung, Innsbruck, 1999; EIS-Symposium, Millas,
1999; GFÖ-Tagung, Bayreuth, 1999; Westdeutscher
Entomologentag, Düsseldorf, 1999; Zoologisches Kolloquium
der Universität Bochum, 1999; Workshop
” Populationsbiologie von Tagfaltern“, Leipzig, 2000;
European Congress of Lepidopteriology, Bialowieza,
2000;
Forschungsaufenthalte in Südportugal und Südfrankreich
zum Probensammeln und zu ökologischen Studien, 1997,
1998; Forschungsreisen in Deutschland, Frankreich,
Weitere Tätigkeit
Tschechien, Slowakei und Ungarn zum Sammeln der
Proben von E. medusa und P. coridon, 1997, 1998
Wiss. Angestellter am Inst. für Zoologie
113

Schmitz, Achim
Arbeitsgruppe Prof. Nagel, Institut für Zoologie
Status D-Stipendiat Januar 1991 - September 1992
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
1. Hochschulabschluß Mainz, Januar 1991
Abgabe der Dissertation Januar 1997
Promotion Februar 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 35
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit wissenschaftl. Angestellter beim Frauenhofer-Institut für
Umweltchemie und Ökotoxikologie, Schmallenberg
Schock, Gerald
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status PD-Stipendiat Januar 1996 - April 1996
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion Januar 1996
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
Seligmann, Christoph
Arbeitsgruppe Prof. Zdunkowski, Institut für Physik der Atmosphäre
Status D-Stipendiat Mai 1996 - April 1999
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Juli 1995
Abgabe der Dissertation April 1999
Promotion Juni 1999
Alter bei Abschluß der Promotion 29
Auslandsaufenthalte / Tagungen BEM XIX (Wessex, 1997)
Weitere Tätigkeit Softwareentwickler
Simon, Andreas
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status a) D-Stipendiat November 1993 - Dezember 1996;
b) PD-Stipendiat Juli 1998 - Juni 1999
Grund für Ausscheiden a) und b) Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Juli 1993
Abgabe der Dissertation April 1997
Promotion August 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 35
Auslandsaufenthalte / Tagungen 17th International Meeting for Specialists in Air Pollution,
Effects on Forest Ecosystems, Florence, Italy 14-19
September, 1996
Weitere Tätigkeit Wiss. Mitarbeiter Inst. für Allgemeine Botanik
114

Simon, Simone
Arbeitsgruppe Prof. Schenk, Institut für Geowissenschaften
Status D-Stipendiatin Dezember 1998 - Mai 1999
Grund für Ausscheiden Wechsel auf Drittmittelstelle
1. Hochschulabschluß Mainz, September 1998
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen Groundwater 2000: International Conference on Groundwater
Research, Kopenhagen; ConSoil 2000: 7th International
FZK/TNO Conference on Contaminated Soil,
Leipzig; HydroGeoEvent 2000, Heidelberg.
Weitere Tätigkeit Fortführung der Dissertation
Stenner, Judith
Arbeitsgruppe Prof. Kluge, Institut für Physik
Status Kollegiatin ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Mainz, Juli 1990
Abgabe der Dissertation November 1994
Promotion Dezember 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Softwareentwicklerin
Stumpf, Marcus
Arbeitsgruppe Prof. Baumann, Institut für Physikalische Chemie
Status D-Stipendiat Mai 1995 - Mai 1998
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Darmstadt, Februar 1995
Abgabe der Dissertation Mai 1998
Promotion Juli 1998
Alter bei Abschluß der Promotion 29
Auslandsaufenthalte / Tagungen 2 Forschungsaufenthalte in Niteroi, BR, 1997; Tagung in
Sao Carlos, BR, 1997
Weitere Tätigkeit Firma Midas, ingelheim
Sun, Wanxiao
Arbeitsgruppe Prof. Heidt, Geographisches Institut
Status D-Stipendiatin November 1996 - Oktober 1999
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Nanjing, 1986
Abgabe der Dissertation November 1999
Promotion Dezember 1999
Alter bei Abschluß der Promotion 35
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Postdoc am Geogr. Institut
115

Ternes, Thomas
Arbeitsgruppe a) Prof. Nagel, Institut für Zoologie;
b) Prof. Baumann, Institut für Physikalische Chemie
Status a) D-Stipendiat Januar 1991 - Dezember 1993;
b) PD-Stipendiat Januar 1994 - März 1994
Grund für Ausscheiden a) Promotion; b) Wechsel auf feste Stelle
1. Hochschulabschluß Mainz, Januar 1990
Abgabe der Dissertation Dezember 1993
Promotion Dezember 1993
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Forschungsinstitut im Umwelt- und Wasserbereich
Tietz-Siemer, Sabine
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status PD-Stipendiatin Januar 1991 - Oktober 1991
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
Promotion Mainz, Dezember 1990
Alter bei Abschluß der Promotion 27
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Mutter
Track, Thomas
Arbeitsgruppe Prof. Schenk, Institut für Geowissenschaften
Status D-Stipendiat April 1994 - März 1997
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, September 1993
Abgabe der Dissertation August 1997
Promotion November 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 30
Auslandsaufenthalte / Tagungen Tagung in Metz, F, 1996; Forschungsaufenthalt Schottland,
1996; Tagung in Las Vegas, USA, 1997
Weitere Tätigkeit wissensch. Mitarbeiter
Tripp, Helmut
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiat Mai 1993 - Oktober 1995
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, 1990
Abgabe der Dissertation Oktober 1995
Promotion Februar 1996
Alter bei Abschluß der Promotion 35
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
116

Uhlig, Eva-Maria
Arbeitsgruppe Prof. Jaenicke, Institut für Physik der Atmosphäre
Status a) D-Stipendiatin September 1991 - November 1994;
b) PD-Stipendiatin Juni 1995 - April 1996
Grund für Ausscheiden a) und b) Förderungsende
1. Hochschulabschluß Leipzig, August 1991
Abgabe der Dissertation November 1994
Promotion Dezember 1994
Alter bei Abschluß der Promotion 27
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
Vössing, Hermann
Arbeitsgruppe Prof. Jaenicke, Institut für Physik der Atmosphäre
Status D-Stipendiat Januar 1998 - Dezember 1998
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß Frankfurt, 1992
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen DPG-Frühjahrstagung 1998, Regensburg; EAC 1997,
Hamburg
Weitere Tätigkeit wissenschaftlicher Angesteller, Referendariat für das
Lehramt an Gymnasien im Land Hessen
Wagner, Andreas
Arbeitsgruppe Prof. Seitz, Institut für Zoologie
Status PD-Stipendiat März 1993 - September 1994
Grund für Ausscheiden Förderungsende
Promotion Dezember 1992
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Industrie
Waibel, Andreas
Arbeitsgruppe Prof. Fischer, MPI für Chemie
Status Kollegiat ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Heidelberg, 1993
Abgabe der Dissertation 1997
Promotion Heidelberg, Juli 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte /Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Systemprogrammierer
117

Wilksch, Werner
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status a) D-Stipendium Januar 1994 - März 1997;
b) PD-Stipendium Juni 1997 - Mai 1998
Grund für Ausscheiden a) und b) Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, Mai 1993
Abgabe der Dissertation April 1997
Promotion Juni 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 33
Auslandsaufenthalte / Tagungen 17th International Meeting for Specialists in Air Pollution,
Effects on Forest Ecosystems, Florence, Italy 14-19
September, 1996
Weitere Tätigkeit Wiss. Mitarbeiter am Inst. für Allgemeine Botanik
Wojtyna, Siegfried
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiat Juli 1998 - September 2000
Grund für Ausscheiden Förderungsende
1. Hochschulabschluß September 1997
Abgabe der Dissertation noch ausstehend
Promotion noch ausstehend
Alter bei Abschluß der Promotion noch ausstehend
Auslandsaufenthalte / Tagungen Dechema Statusseminar 2000, Frankfurt/Main
Weitere Tätigkeit Fertigstellung der Dissertation
Wolff-Boenisch, Domenik
Arbeitsgruppe Prof. Schenk, Institut für Geowissenschaften
Status a) D-Stipendiat April 1994 - März 1997;
b) PD-Stipendiat Juli 1997 - Juni 1998
Grund für Ausscheiden a) und b) Förderungsende
1. Hochschulabschluß Mainz, September 1993
Abgabe der Dissertation Mai 1997
Promotion Juni 1997
Alter bei Abschluß der Promotion 31
Auslandsaufenthalte / Tagungen Tagung in Metz, F, 1996; Forschungsaufenthalt Schottland,
1996; Tagung in Las Vegas, USA, 1997
Weitere Tätigkeit Ausland
Zimmer, Klaus
Arbeitsgruppe Prof. Otten, Institut für Physik
Status Kollegiat ohne Stipendium
1. Hochschulabschluß Mainz, Juli 1990
Abgabe der Dissertation Februar 1995
Promotion Mai 1995
Alter bei Abschluß der Promotion 32
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit Software-Entwickler
118

Zhu, Hua
Arbeitsgruppe Prof. Wild, Institut für Allgemeine Botanik
Status D-Stipendiatin Juli 1992 - November 1992
Grund für Ausscheiden Wechsel auf andere Stelle
1. Hochschulabschluß Mainz, Juli 1986
Abgabe der Dissertation 1995
Promotion August 1995
Alter bei Abschluß der Promotion 33
Auslandsaufenthalte / Tagungen ./.
Weitere Tätigkeit selbständig
119

12 Zusammenfassende Bewertung
Die seitens der DFG vorgegebene Zielsetzung der Graduiertenkollegs konnte im Rahmen des GK ” Kreisläufe,
Austauschprozesse und Wirkungen von Stoffen in der Umwelt“ teilweise realisiert werden.
Als gelungen ist der Versuch anzusehen, durch interdisziplinär konzipierte zusätzliche Lehrveranstaltungen
eine gegenüber einem ” normalen“ Promotionsstudium eine verbesserte Ausbildungsqualität zu erreichen.
Die durchgeführten Ringvorlesungen und Praktika ermöglichten den Mitgliedern des Graduiertenkollegs
Einblicke in die Arbeitsweisen von Fachrichtungen, die zwar wie die vergebenen Promotionsthemen dem
Themenbereich Umweltkreisläufe zuzuordnen sind, die aber im Rahmen der eigenen Projektarbeit ansonsten
nicht berührt worden wären.
Ebenfalls positiv zu bewerten ist das Graduierten-Kolloquium, in dem die Stipendiaten und Kollegiaten
regelmäßig den Fortschritt ihrer Arbeiten in halbstündigen Vorträgen dokumentieren konnten. Bei diesen
Vorträgen entwickelten sich häufig ins Detail gehende Diskussionen, die sowohl zu einem vertieften
Verständnis der vorgestellten Arbeiten führten, als auch in einigen Fällen wertvolle Anregungen zum Fortgang
der Arbeiten liefern konnten.
Als erschwerend hat sich in manchen Fällen die ausgeprägte Interdisziplinarität des Graduiertenkollegs
herausgestellt, da ” benachbarte“ Naturwissenschaften trotz vieler Überschneidungen in den Arbeitsgebieten
unter Umständen unterschiedliche Sprachen sprechen. Auch gestaltete es sich mitunter schwierig, die
beteiligten 4 Universitäts-Fachbereiche sowie das mit zwei Arbeitsgruppen beteiligte Max-Planck-Institut für
Chemie organisatorisch ” unter einen Hut“ zu bringen, Zeugnis hierfür waren beispielsweise die alljährlichen
Terminschwierigkeiten bei der Bearbeitung der Fragebögen.
Ein wichtiges Ziel der Graduiertenkollegs ist die Straffung des Promotionsstudiums durch klar umrissene
Dissertationsthemen, die in einer kalkulierbaren Zeitspanne zu bearbeiten sind. Ob nun eine Verkürzung
der Bearbeitungszeiten für Dissertationen erreicht werden konnte, ist nicht abschließend feststellbar. Zum
einen sind insgesamt 11 Dissertationsprojekte noch nicht abgeschlossen, die Abgabe der betroffenen Arbeiten
ist in 10 Fällen für das letzte Quartal des Jahres zu erwarten. Zum anderen sind die reinen Zahlen
über Förderungs- und Promotionsdauer nur eingeschränkt aussagefähig, da etliche Stipendiaten dem GK
nur über kurze Zeiträume angehörten imd ihre Promotion z.T. außerhalb der Universität Mainz anderweitig
finanziert fortgesetzt haben. Abgeschlossen wurden im Bewilligungszeitraum Oktober 1990 bis September
2000 (inklusive 12-monatiger Auslauffinanzierung) 43 Dissertationen, die zumindest zeitweise durch
das GK finanziert wurden. Die mittlere Dauer der finanziellen Förderung betrug dabei 31 Monate, die
mittlere Bearbeitungszeit bis zur Abgabe der Dissertation 41 Monate. Zumindest für den Fachbereich Physik
sowie für das Max-Planck-Institut für Chemie bedeutet dies eine Reduzierung der durchschnittlichen
Promotionszeiten um einige Monate.
120