Nickel gilt für manche Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen als essentielles Spurenelement; für den Menschen ist dies nicht sicher nachgewiesen. Die Ni-Konzentration in der oberen kontinentalen Kruste (Totalgehalte) beträgt 19 mg/kg, kann aber in den unterschiedlichen Gesteinstypen stark schwanken. Die mittleren Ni-Gehalte (Median) der sächsischen Hauptgesteinstypen variieren von 1 bis 1 900 mg/kg, der regionale Clarke des Erzgebirges/Vogtlandes beträgt 23 mg/kg. Für unbelastete Böden gelten Ni-Gehalte von 5 bis 50 mg/kg als normal. Zusätzliche geogene Ni-Anreicherungen in Böden sind vor allem im Bereich der Ni-Verwitterungslagerstätten (Haupterzmineral Garnierit) über Serpentiniten im Granulitgebirge und dessen Schiefermantel anzutreffen, die jedoch nur geringe Flächen einnehmen. Bei den Ganglagerstätten besitzen die Vererzungen der Quarz-Arsenid-Assoziation ("Bi-Co-Ni-Ag-U-Formation") eine nur geringe umweltgeochemische Relevanz. Auch ein Einfluss der Ni-Mineralisation von Sohland/Spree ist im vorliegenden Maßstab nicht erkennbar. Anthropogene Ni-Einträge erfolgen vor allem durch die Eisenmetallurgie bzw. durch Ni-verarbeitende Industrien (Legierungen, Apparatebau, Lacke, Kunststoffe) und durch die Verbrennung fossiler Energieträger. Weitere nennenswerte Ni-Einträge sind vor allem mit den Abwässern in aquatische Ökosysteme möglich (z. B. Klärschlamm). Die regionale Verbreitung erhöhter Ni-Gehalte in den sächsischen Böden wird vor allem durch die geogene Spezialisierung der Substrate bestimmt. Aufgrund der erhöhten Ni-Gehalte der Serpentinite (1 900 mg/kg), der tertiären Basalte (120 mg/kg), Amphibolite und Gabbros (110 mg/kg) und der devonischen Diabase (80 mg/kg) kommt es entsprechend der Verbreitung dieser Substrate, teils zu flächenhaften, teils zu punktförmigen anomal hohen Ni-Gehalten im Oberboden. Durch Einschaltungen von Metabasiten in die Phyllit- und Glimmerschieferfolgen, sowie wegen der schwach erhöhten Ni-Gehalte in diesen Gesteinen selbst (30 bis 40 mg/kg), treten das Vogtland und das Westerzgebirge als Gebiete erhöhter Ni-Gehalte im Kartenbild deutlich in Erscheinung. Analog zum Cr, kommen über den Substraten der sauren Magmatite und Metamorphite, der Sandsteine der Elbtalkreide sowie der periglaziären Decksedimente die niedrigsten Ni-Gehalte in den Böden vor. Bei den Auenböden lassen sich hinsichtlich der Ni-Gehalte deutliche Beziehungen zum geologischen Bau der Gewässereinzugsgebiete erkennen. Während in den Auenböden der Weißen Elster, des Muldensystems und der Elbe (Einzugsgebiet Erzgebirge, Vogtland) mittlere und z. T. schwach erhöhte Gehalte auftreten, sind die Auenböden u. a. der Schwarzen Elster und Spree (Einzugsgebiet Lausitz) relativ Ni-arm. Dazu tragen sicher auch die geringere Besiedlungsdichte und die niedrigere Dichte von Industriestandorten in der Lau-sitz bei. Problematisch ist die Umrechnung von Ni-Totalgehalten in Ni-Königswassergehalte (KW). Praktische Erfahrungen bei den Bodenuntersuchungen zeigen, dass die KW-Gehalte gegenüber den Totalgehalten in Abhängigkeit von der Bindungsform in den Substraten um ca. 10 bis 30 % niedriger sind. Die in der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) festgelegten Prüfwerte für den Wirkungspfad Boden-Mensch (KW-Gehalte) werden in Sachsen nur z. T über den Diabasen und den kleinräumig auftretenden Serpentiniten überschritten. Gefährdungen können aber hier weitgehend ausgeschlossen werden, da das Ni silikatisch gebunden vorliegt und eine Freisetzung nicht zu befürchten ist. Der Ni-Transfer Boden-Pflanze auf Grünlandflächen ist unbedeutend; der Maßnahmenwert von 1 900 mg/kg wird nicht erreicht.
Die Behandlung der insbesondere mit PCB-verunreinigten Boeden erfolgt in einer zentralen biologischen Behandlungsanlage. Nach Einlagerung des zu behandelnden Bodens in drei Behandlungsfelder in geschlossener Leichtbauweise mit einer Gesamtkapazitaet von 7 125 m3 wird der Boden mit Klaeranlagenwasser, das mit Mikroorganismen angereichert ist (Patent BASF Lacke + Farben AG) berieselt. Um die hoechste Abbauaktivitaet der Mikroorganismen zu erreichen, wird die Raumluft auf 20 bis 42 Grad Celsius erwaermt. Gleichzeitig wird erwaermte Luft von unten in den Boden gepresst. Die abgesaugte Hallenluft wird ueber einen Aktivkohlefilter abgeleitet. Fuer die Verrieselung wird Brauchwasser (Klaeranlagenwasser oder Oberflaechenwasser) verwendet, das im Bedarfsfall in einem Vorlagetank mit Naehrstoffen versetzt wird. Der gereinigte Boden wird einer Wiederverwertung (Strassen- und Kanalbau, Laermschutzwaelle) zugefuehrt.
Subterrane Ökosysteme beherbergen eine breite Vielfalt spezialisierter und endemischer Organismen, die einen einzigartigen Bruchteil der globalen Vielfalt ausmachen. Darüber hinaus leisten sie entscheidende Beiträge der Natur für die Menschen – insbesondere die Bereitstellung von Trinkwasser für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung. Diese unsichtbaren Ökosysteme werden jedoch bei den Biodiversitäts- und Klimaschutzzielen für die Zeit nach 2020 übersehen. Nur 6,9 % der bekannten subterranen Ökosysteme überschneiden sich mit dem ´Netzwerk von Schutzgebieten. Zwei Haupthindernisse sind für diesen Mangel an Schutz verantwortlich. Erstens bleiben subterrane Biodiversitätsmuster weitgehend unkartiert. Zweitens fehlt uns ein mechanistisches Verständnis der Reaktion subterraner Arten auf vom Menschen verursachte Störungen. Das DarCo-Projekt zielt darauf ab, subterrane Biodiversität in ganz Europa zu kartieren und einen expliziten Plan zur Einbeziehung subterraner Ökosysteme in die Biodiversitätsstrategie der Europäischen Union (EU) für 2030 zu entwickeln. Zu diesem Zweck haben wir ein multidisziplinäres Team führender Wissenschaftler in subterraner Biologie und Makroökologie zusammengestellt und Naturschutz aus einem breiten Spektrum europäischer Länder. Das Projekt gliedert sich in drei Arbeitspakete, die der direkten Forschung gewidmet sind (WP2-4), plus ein viertes (WP5), das darauf abzielt, die Verbreitung der Ergebnisse und das Engagement der Interessengruppen für die praktische Umsetzung des Naturschutzes zu maximieren. Zunächst werden wir durch die Zusammenstellung bestehender Datenbanken und die Nutzung eines kapillaren Netzwerks internationaler Mitarbeiter Verbreitungsdaten, Merkmale und Phylogenien für alle wichtigen subterranen Tiergruppen sammeln, einschließlich Krebstiere, Mollusken, Insekten und Wirbeltiere (WP2). Diese Daten werden dazu dienen, die Reaktionen von Arten auf menschliche Bedrohungen mithilfe der hierarchischen Modellierung von Artengemeinschaften (WP3) vorherzusagen. Die Vorhersagen der Modelle zur Veränderung der biologischen Vielfalt werden die Grundlage für eine erste dynamische Kartierung des subterranen Lebens in Europa bilden. Durch die Verschneidung von Karten von Diversitätsmustern, Bedrohungen und Schutzgebieten werden wir einen Plan zum Schutz der subterranen Biodiversität entwerfen, der das aktuelle EU-Netzwerk von Schutzgebieten (Natura 2000) ergänzt und gleichzeitig klimabedingte Veränderungen in subterranen Ökoregionen berücksichtigt (WP4). Schließlich versuchen wir durch gezielte Aktivitäten in WP5, das gesellschaftliche Bewusstsein für subterrane Ökosysteme zu schärfen und Interessengruppen einzuladen, die subterrane Biodiversität in multilaterale Vereinbarungen einzubeziehen. In Übereinstimmung mit dem europäischen Plan S werden wir alle Daten offen und wiederverwendbar machen, indem wir eine zentralisierte und offene Datenbank zum subterranen Leben entwickeln – die Subterranean Biodiversity Platform.
Binnengewässer sind wichtiger Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufs, da sie der terrestrischen Biosphäre entstammende Biomasse (organisches Material, OM) aufnehmen und umsetzen. Gelöstes OM beeinflusst Farbe und Zustand der Gewässer und subventioniert als Energieträger das aquatische Nahrungsnetz. Der Umsatz des OM wird von dessen oxidativer Mineralisation getrieben, daher wird die Sauerstoffverfügbarkeit als kritischer Einflussfaktor gesehen. Jedoch findet auch in sauerstofffreien, anoxischen Zonen rege Produktion, Mineralisation und Transformation von OM statt. Die chemische Zusammensetzung des OM wird in anoxischen Zonen auf spezifischen Reaktionspfaden transformiert. Zu diesen Pfaden gehört (1.) der bevorzugte Abbau von energiereichen OM-Fraktionen, (2.) die Anreicherung von mikrobiellem OM, sowie (3.) der Einbau von anaerob entstandenem Wasserstoff in OM. Anoxische Zonen sind in kontinentalen und marinen Gewässern bereits heute weit verbreitet. Ihre weitere Ausdehnung ist vorhergesagt. Trotzdem ist unklar, unter welchen Bedingungen die anoxischen Reaktionspfade aktiviert werden und wie sie gemeinsam den Kohlenstoffkreislauf und aquatische Ökosystemfunktionen beeinflussen. Ziel dieses Projekts ist es daher, das Zusammenspiel anoxisch ablaufender OM Transformationen aufzuklären. Zu diesem Zweck entwickeln wir eine OM Charakterisierung basierend auf der (Gibbs-) Energie seiner molekularen Bestandteile. Die Energieeigenschaften des OM dienen als Bezugssystem, mit dem sich aktive Reaktionspfade einschließlich ihre spezifischen Einflussfaktoren unterscheiden lassen. Auf Grundlage dieses Bezugssystems können wir die orts- und substratspezifischen Faktoren identifizieren, die mit der molekulare OM Zusammensetzung variieren. Entlang aquatischer Netzwerke werden wir dann analysieren, wie anoxische Zonen einen spezifischen Fingerabdruck im OM formen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden eine neuartige, energiezentrierte Charakterisierung von organischem Material begründen. Damit können wir langfristig unser Verständnis des Umweltverhaltens von OM, insbesondere unter anoxischen Bedingungen, verbessern.
Pathogene Legionellenarten, wie Legionella pneumophila, können die Legionärskrankheit, eine schwere Lungeninfektion mit einer Sterblichkeit von 5-10 %, verursachen. Sie werden durch das Einatmen von Legionellen-kontaminierten Aerosolen aus künstlichen Wassersystemen, wie zum Beispiel Kühltürme, Trinkwassernetzwerke und Kläranlagen, übertragen. Die Legionärskrankheit hat in Europa in der Zeit von 2015 bis 2019 um 65 % zugenommen. Es ist davon auszugehen, dass die Legionärskrankheitsfälle, die aus Kläranlagen entspringen, aufgrund der zunehmenden Wiederverwendung von Abwasser und wegen des Klimawandels weiter steigen werden. Das Letztere wird sich insbesondere auf die Abwassertemperaturen und die mikrobielle Zusammensetzung von Abwässern auswirken. Eine Lösung zur Verhinderung der Legionellenvermehrung in Kläranlagen mit warmen Abwassertemperaturen (>23 °C) steht mangels Grundlagenforschung nach unserem Kenntnisstand nicht zur Verfügung. Das Ziel dieses Antrages ist es, die Temperaturbedingungen zu definieren, die das Wachstum von pathogenen Legionella spp. aus Kläranlagen begünstigen, unter Berücksichtigung konstanter und dynamischer Temperaturverhältnisse. Dafür sollen Isolate aus behandeltem Abwasser oder Belebtschlamm von fünf verschiedenen Kläranlagen, die warme Abwässer behandeln, bei fünf verschiedenen Temperaturen zwischen 20 °C und 40 °C kultiviert werden. Um die Wirkung dynamischer Temperaturbedingung zu untersuchen, soll die Temperatur in der Mitte der exponentiellen Wachstumsphase um 5 °C innerhalb einer kurzen Zeitspanne erhöht werden. Die Wachstumsparameter der getesteten Legionellenarten sollen vor und nach der Störung verglichen werden. Aufgrund unserer Erfahrungen bei vergangenen Überwachungsprojekten von Legionella spp. in Kläranlagen wurde ein schneller Temperaturanstieg von 5 °C ausgewählt. Die isolierten Legionellenarten sollen anhand der Kultivierungsmethode aus der biologischen Behandlungsstufe gewonnen werden. Die Arten der Isolate und die Legionellendiversität in der biologischen Stufe soll durch eine gattungsspezifische Next-Generation-Sequencing identifiziert werden. Für das Temperaturexperiment werden Isolate ausgewählt, die sowohl die Kerngemeinschaft der Legionellen, die in allen fünf Kläranlagen vorhanden ist, als auch die einzigartigen Stammtypen, die nur in bestimmten Kläranlagen vorkommen, abdecken. Die Integration der Ergebnisse der Abwasser-/Kläranlagencharakterisierung, der Legionellendiversität und des temperaturabhängigen Wachstums von den Legionellenisolate wird unser Verständnis über die Rolle von Kläranlagen als ökologische Nische für das Legionellenwachstum verbessern. Unsere Erkenntnisse können verwendet werden, um die Überwachung von Legionellen in Kläranlagen zu verbessern und sie sollen die Entwicklung von Strategien zum Umgang mit plötzlichen Temperaturänderungen in Kläranlagen und Abwasserwiederverwendungsanlagen unterstützen.
In einer netzwerkfaehigen, benutzerfreundlichen, menuegesteuerten Datenbank, die auf einem Personalcomputer (Betriebssystem MS-DOS) lauffaehig ist, werden Informationen zu Betriebsschutz (Arbeitssicherheit), Umweltschutz (einschl Abfallentsorgung) sowie Transport, Lagerung und Erste Hilfe gespeichert. Insbesondere werden Stoffeigenschaften, Sicherheitsmassnahmen fuer den Umgang und gesetzlich vorgeschriebene Kennzeichnungen angegeben. Diese Angaben beziehen sich zum einen auf reine Chemikalien und zum anderen auf Versorgungsartikel (Produkte, Zubereitungen) der Bundeswehr (zB Reinigungsmittel, Klebstoffe, Lacke etc ). Die Liste der Gefahrstoffe ermoeglicht es jeder Dienststelle, Betriebsanweisungen nach Paragraph 20 der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) zu erstellen. Die GefStoffLBw enthaelt derzeit Daten zu ca 900 reinen Stoffen und ca 2000 Versorgungsartikeln.
Spurenmetalle (TMs), definiert als weniger als 1 mg kg-1, sind entweder wichtige essentielle Nährstoffe (Fe, Mn, Co, Cu, Ni, Zn) für das mikrobielle Wachstum oder toxisch (Cu, Pb, Cd) bei erhöhten Konzentrationen im Meerwasser. Der Ozean ist derzeit von Sauerstoffmangel, Versauerung, Schichtung und Erwärmung betroffen, was zu Veränderungen in der chemischen Speziation von TMs führt, die von den physikalisch-chemischen Bedingungen (z. B. pH-Wert, Temperatur und Salzgehalt) abhängig sind. Während die Kenntnis der gelösten und partikulären Metalle Informationen über die Gesamtbestände liefert und die Identifizierung wichtiger Quellen von TM in der Meeresumwelt ermöglicht, ist die Kenntnis der chemischen Speziation für das Verständnis der Biogeochemie und der Bioverfügbarkeit oder Toxizität von TM von wesentlicher Bedeutung. So haben frühere Arbeiten gezeigt, dass anorganisches Fe in sauerstoffhaltigem Meerwasser schlecht löslich ist, die Konzentrationen von gelöstem Fe jedoch aufgrund der Komplexbildung durch organische Stoffe höher sind als erwartet. Das derzeitige Wissen über die Speziation von TMs wird jedoch für eine bestimmte Probe unter Laborbedingungen beobachtet (z. B. pH=8,0 auf der NBS-Skala), und daher fehlt eine mechanistische Verbindung zu den intrinsischen physikalisch-chemischen Eigenschaften des Meerwassers und deren Einfluss auf die Metallbindung an organisches Material. Hier entwickle ich neuartige Analyse- und Modellierungswerkzeuge und nutze die Wechselwirkungen zwischen Metallen, Resinen und organischen Stoffen, um die Speziation von TM mittels ICP-MS über einen weiten Bereich von pH-Werten genau zu bestimmen. Ich kombiniere diese Messungen mit einem Modell für Ionenpaarung und organische Stoffe (NICA-Donnan), um eine mechanistische Beschreibung der Wechselwirkungen zu entwickeln und dadurch unser Verständnis der Rolle von z. B. pH-Wert, Temperatur und Ionenstärke für den TM-Zyklus im Meer zu verbessern. Sobald diese Methodik erreicht ist, wird sie es uns ermöglichen, zum ersten Mal die TM-Speziation für mehrere Metalle gleichzeitig zu bestimmen, einschließlich der bisher häufig untersuchten Metalle und der TMs, bei denen neuere Hinweise aus der Isotopenhäufigkeit auf eine wichtige Rolle der Bindung an organisches Material hinweisen. Die abgeleiteten thermodynamischen Konstanten werden auch in regionale biogeochemische Modelle einfließen, um Vorhersagen über den biogeochemischen Kreislauf der TM auf mechanistischer Ebene unter zukünftigen Ozeanszenarien zu erhalten.
Aminopolyphosphonate (APPs) sind starke Komplexbildner für Metalle, die zunehmend in der Industrie und im Haushalt eingesetzt werden. Sie sind gut wasserlöslich, nicht flüchtig und besitzen eine geringe Affinität zu organischen Phasen. Dennoch scheint in Kläranlagen die Sorption an Klärschlamm ein wichtiger Eliminierungssprozess zu sein. Die Polyphosphonat-Konzentrationen in deutschen Flüssen liegen derzeit im ng L-1- bis niedrigen µg L-1 Bereich. Es wird jedoch ein Anstieg der Polyphosphonat-Konzentrationen aufgrund einer erhöhten Produktion und Nutzung vorhergesagt. Das Umweltverhalten dieser Substanzen kann derzeit jedoch nicht zuverlässig abgeschätzt werden, was in erster Linie auf Wissenslücken bezüglich der Bedeutung von Sorptions- und Abbauprozessen für die Gesamtentfernung von APPs in natürlichen und technischen Systemen zurückzuführen ist. Darüber hinaus sind die Reaktionsmechanismen und -wege von AAPs nicht vollständig identifiziert. Dies erschwert sowohl die Vorhersage der Auswirkungen von Umweltparametern auf den Verbleib von APPs als auch die Entwicklung von Verfahren zur effizienten Entfernung in technischen Systemen. Ziel der vorgeschlagenen Forschung ist es daher, Sorbentien, Reaktanten und Umweltbedingungen zu identifizieren, die die Entfernung von APPs aus natürlichen Gewässern und in der Wasseraufbereitung begünstigen. Wir schlagen vor, die Auswirkungen wichtiger Umweltparameter (z.B. pH-Wert, Komplexbildung) auf Sorptions- und Abbausprozesse von APPs in sorgfältig konzipierten Laborexperimenten an zwei Vertretern dieser Substanzklasse zu untersuchen: ATMP (Amino-tris(methylenphosphonsäure) und EDTMP (Ethylendiamin-tetra¬(methylenphosphonsäure). Durch die Kombination von Isotopenanalyik und hochauflösender Massenspektrometrie unter Einbeziehung weiterer moderner Verfahren sollen die wichtigsten Sorptions- und Abbauprozesse sowie die Umwandlungsprodukte von APPs identifiziert werden. Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten umfasse drei Teilbereiche. Zunächst soll die Sorption von APPs an Eisen(hydr-)oxiden, Tonmineralen und Aktivkohle/Biokohle untersucht und die potenziellen Isotopenfraktionierungseffekte aufgrund der Sorption quantifiziert werden. Dann werden wir uns mit den natürlichen Umwandlungsprozessen von AAPs befassen, wobei der Schwerpunkt auf der Oxidation durch Manganoxide und der direkten Photolyse von APP-Fe(III)-Komplexen liegt. Schließlich werden AAP-Abbauprozesse in technischen Systemen wie Ozonolyse und elektrochemischen Oxidation untersucht.
Organisches Material (OM) tritt häufig in sedimentären Erzlagerstätten auf, wird aber zumeist nicht in einen direkten genetischen Zusammenhang gebracht. Aus diesem Grunde sind neue grundlegende Erklärungsansätze vonnöten, um organisch-anorganische Wechselwirkungen in einen direkten Zusammenhang zur Bildung von Erzlagerstätten zu bringen. Es ist das Ziel dieses Forschungsantrages, den Einfluß von OM auf erzbildende Prozesse des “Kupferschiefer-Systems” zu untersuchen. Derartige neue Erkenntnisse sollen es ermöglichen, ein solches Analog auf andere schichtgebundene Erzlagerstätten zu übertragen, indem Erkenntnisse aus unterschiedlichen und neuartigen analytischen Verfahren kombiniert werden. Das “Kupferschiefer-System” hat bereits seit dem Mittelalter ökonomische Bedeutung. Bergbau auf diese Lagerstätten wird noch heute in Polen betrieben während in Deutschland derartige Aktivitäten zum Erliegen gekommen sind. Allerdings werden zur Zeit Überlegungen angestellt, die Spremberg-Lagerstätte, die sich über die brandenburgisch-sächsische Landesgrenze erstreckt, auszubeuten. Darüberhinaus werden derzeitig Kupferschiefer-Bohrungen in Thüringen abgeteuft. Ein wesentliches Merkmal des "Kupferschiefer-Systems" in Deutschland und Polen sind die geringen thermischen Überprägungen, die es erlauben, das OM mit organisch-geochemischen und bildgebenden Verfahren aufzulösen. Und es ist genau diese geringe thermische Reife des OM (frühes Ölfenster) im südlichen Brandenburg, Sachsen-Anhalt und im nordwestlichen Bayern, die den Kupferschiefer zu einem geeigneten natürlichen Laboratorium machen, um Erkenntnisse auch auf geologisch ältere Systeme mit höherer thermischer Überprägung zu übertragen und somit die Aufsuchung, Bewertung und dann auch die Ausbeutung zu verbessern. Der hier vorgeschlagene Ansatz, unterschiedliche analytische Verfahren zu kombinieren, soll bislang fehlende Erkenntnisse liefern, um organisch-anorganische Wechselwirkungen auf kleinskaligen Dimensionen besser zu verstehen. Es ist daher das Konzept, etablierte organisch-geochemische (z.B. GC-MS) und bildgebende Verfahren (organische Petrographie, REM, TEM) zu kombinieren mit neuen Methoden. Eine dieser neuen Methoden ist die Fourier-Transform Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), die es ermöglicht, organische NSO-Komponenten auf ihre Bedeutung für erzbildende Prozesse zu überprüfen. Darüberhinaus sollen weitere neue Technologien eingesetzt werden: die "Scanning transmission X-ray"-Mikroskopie (STXM) sowie die "Molecular imaging"-Massenspekrometrie (MALDI-MSI), die es ermöglichen, organische Bindungstypen zu charakterisieren und die räumliche Verteilung organischer Moleküle im Zusammenhang mit Erzmineralen darzustellen.
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|---|---|
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