Erdreich : der Schatz unter unseren Füssen

Im neuen Garten «Erdreich» auf dem Campus Grüental werden Besucherinnen und Besucher eingeladen, den Boden als geheimnisvollen Schatz unter unseren Füssen zu erkunden. In Zusammenarbeit verschie­dener Fachleute aus den Bereichen Bodenökologie, Landschaftsarchitektur, Kunst und Kommunikation ist ein ungewöhnlicher Garten entstanden, der die Faszination für die wertvolle Ressource Boden weckt

Herausforderung alpiner Renaturierungen : markante Unterschiede in Vegetation, Bakterien und Boden

Die Schweiz weist mit ihrer abwechslungsreichen Topografie eine hohe Artenvielfalt auf. Die heterogene Landschaft und insbesondere die mächtigen Gebirgszüge tragen dabei zur besonderen Verantwortung gegenüber dem Schutz und Erhalt der Biodiversität bei. Bautätigkeiten und Eingriffe in die Landschaft ausserhalb der Bauzonen werden daher häufig von Renaturierungsmassnahmen begleitet. Jonathan Blank-Pachlatko untersuchte in seiner Masterarbeit am Corvatsch im Engadin, welche ökologischen Unterschiede sich dabei kurz nach der Ausführung im Vergleich zu unberührten Flächen feststellen liessen

Untersuchung der Eigenschaften und Fruchtbarkeit von Gewächshausböden

Im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU)Die Fruchtfolgeflächen in der Schweiz sind unter Druck. Beim Bau von Gewächshäusern stellt sich die Frage, ob diese weiterhin als Fruchtfolgeflächen angerechnet werden könnten oder nicht. Über die Qualität von Gewächshausböden in Abhängigkeit vom Anbausystem gibt es nur wenige Daten. Um für diese Diskussion und allfällige Entscheide eine Datengrundlage zu schaffen, sollen im vorliegenden Projekt die Qualität unterschiedlich genutzter Gewächshausböden untersucht werden. Der Fokus liegt auf folgenden Forschungsfragen: Inwieweit beeinflussen der Bau und Betrieb von Gewächshäusern die betroffenen Böden? Welche Rolle spielt die Bewirtschaftungsart? Unter welchen Bedingungen erfüllen Gewächshausböden die Kriterien eines fruchtbaren Bodens? Für die Untersuchungen wurden sieben Gewächshäuser (GWH) mit unterschiedlicher Bewirtschaftung ausgewählt: Bodenkultur (BK), Hors-sol (HS) und saisonale Wechsel zwischen Bodenkultur und Hors-sol (W). Auf jeweils drei Plots in den Gewächshäusern und auf ausserhalb der Gewächshäuser liegenden Referenzflächen wurden biologische und physikalische Bodenparameter erhoben und Profilansprachen durchgeführt. Die biologischen Parameter sollen eine Aussage über die biologische Aktivität und die Biodiversität in den Böden ermöglichen, die physikalischen den Einfluss des Baus und der Bewirtschaftung auf die Dichte und den Wasserhaushalt des Bodens untersuchen. Auch das Erfassen chemischer Parameter wurde verzichtet, da in der Diskussion um Fruchtfolgeflächen nicht von zentraler Bedeutung sind. Obwohl die Vergleichbarkeit zwischen Gewächshäusern und Referenzflächen und auch die Einheitlichkeit der Eigenschaften der Gewächshausböden nicht in allen Fällen optimal war, ist es möglich, den Einfluss der Bewirtschaftung auf die Gewächshausböden zu erkennen. Sowohl in den GWH mit BK, als auch in denjenigen mit W sind die Gehalte an organischem Material erhöht, vermutlich wegen der mit den Setzlingen eingebrachten Torfpresslingen. Biologische Parameter wie mikrobielle Biomasse, DNA Menge und Bodenatmung korrelieren üblicherweise stark mir Corg. In den GWH mit BK ist dies der Fall. Bei den GWH W ist die Korrelation aber um einiges weniger stark, als man es erwarten würde. Dies und die Tatsache, dass in den letzteren der metabolische Koeffizient deutlich erhöht war, lässt auf nicht ideale Bedingungen für die Bodenorganismen unter W schliessen. Die Gewächshäuser mit HS weisen die geringsten Gehalte an Corg auf und zeigten auch sonst eine tiefere biologische Aktivität als die übrigen Versuchsflächen. Mithilfe der molekularbiologischen Untersuchungen konnten standortspezifische aber auch gewächshausspezifische Lebensgemeinschaften in den Böden nachgewiesen werden. Generell war der Artenreichtum in den Gewächshausböden tiefer als in den dazugehörigen Referenzflächen. Interessanterweise konnten viele erwünschte oder unerwünschte Zielorganismen neben phytopathogenen auch pflanzenstärkende und bodenbelebende Mikroben nachgewiesen werden. Durch die Messung von bodenphysikalischen Grössen konnten bei allen untersuchten Standorten mit mineralischen Böden in den Gewächshäusern und/oder auf den Referenzflächen mindestens Richtwertüberschreitungen festgestellt werden. Nicht immer ist aber die Beeinträchtigung im Gewächshaus grösser als ausserhalb und die Unterschiede zwischen Gewächshäusern im gleichen Betrieb waren teilweise gross. Ein Vergleich zwischen dem Verdichtungszustand der Böden und den Aussagen der Bewirtschafter zum Gewächshausbau zeigen einen Zusammenhang zwischen nassen Bedingungen beim Bau und Verdichtungen innerhalb und in der Umgebung des Gewächshauses. Bei den untersuchten Gewächshäusern verlangten die Bewilligungsbehörden in keinem Fall eine Bodenkundliche Baubegleitung (BBB). Bezüglich Verdichtung wären klarere Vorgaben für den Ablauf sicher sinnvoll. Die Frage, ob Gewächshauböden grundsätzlich die Kriterien von Fruchtfolgeflächen erfüllen, lässt sich aufgrund unserer kleinen Stichprobe nicht abschliessend beantworten. Weitere Untersuchungen, vor allem bei Gewächshäusern mit Hors-sol oder Wechsel zwischen Hors-sol und Bodenkultur wären interessant. Dazu wäre eine grössere Stichprobe an Gewächshäusern wichtig. Vertiefte Untersuchungen mit molekularbiologischen Methoden könnten zeigen, ob sich die Habitat-Gebundenheit von mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen ausnutzen lässt, um typische Gemeinschaften von "gestörten" oder "geschädigten" zu unterscheiden

Hydrothermal carbonization of sewage sludge : new improvements in phosphatic fertilizer production and process water treatment using freeze concentration

In recent years, promising developments in the hydrothermal carbonization (HTC) of sewage sludge, as well as the potential to reclaim phosphorus and nitrogen, have emerged. In this study, the HTC of digested sewage sludge (DSS) was investigated for the downstream production of heavy metal (HM)-free fertilizer and the use of freeze concentration (FC) as a novel technology for process water treatment. To obtain clean fertilizer, phosphatic acid extracts were first treated with ion-exchange resins to remove dissolved HM, as well as phosphorus precipitating agents (i.e., aluminum and iron). Over 98% of the aluminum (Al) and 97% of the iron (Fe) could be removed in a single treatment step. The purified extract was then used for the precipitation of HM-free struvite crystals, with P-recovery rates exceeding 89%. Process water (PW) makes up the largest share of the two main HTC-products (i.e., hydrochar and PW) and is very rich in organic compounds. Compared to evaporation or membrane separation, FC is a promising technology for concentrating solutes from PW. Separation experiments resulted in the recovery of over 90% of the dissolved compounds in the concentrate. In our study, the concentrate was later utilized as an ammonium source for struvite precipitation, and the subsequent aerobic digestion of the remaining ice water resulted in an 85% reduction in chemical oxygen demand (COD) in 15 days

Constitutive relationships and pore structure of undisturbed fracture zone samples with cohesionless fault gouge layers

Multiphase flow processes in fractured rocks are of major importance for the remediation of subsurface contamination, for engineering petroleum reservoirs, and for the safety analysis of nuclear waste repositories. We developed procedures for determining the water retention curve, gas permeability function, and pore structure of undisturbed fracture-zone samples with cohesionless fault gouge layers in the laboratory. Mylonitic samples were taken at Grimsel Test Site (Switzerland). Intrinsic permeabilities of the fault gouge layers were 5 orders of magnitude higher, and significant desaturation occurred at capillary pressure heads about 10 times lower than in the surrounding granodiorite, thus showing that at this site gas flow would take place mainly in the fracture zone. The measured water retention and gas permeability data were well represented by parametric models designed for porous media. Gas flow could only be detected at water saturations below about 0.8, thus showing strong phase interference at high water saturations. To relate these findings to the pore structure of the samples, a qualitative and quantitative description of the pore space was obtained at different scales using fluorescent resin imbibition and image analysis techniques. Results show that the fracture zone consists of a continuous and interconnected fracture network that is filled with a porous medium-like material, thus explaining the applicability of the above mentioned models and the rather strong phase interference

Differences in vegetation composition, bacterial community and soil properties after restoration of construction sites on alpine grasslands

Alpine and subalpine areas in the mountainous region of Switzerland have long been inhabited by humans and used for grazing by cows or sheep and represent a living cultural landscape. Abandonment and forestation are leading to a decline in these alpine meadows and pastures, which represent a third of all agricultural land in Switzerland. In addition, the brisk construction activity of recent years is exerting additional pressure on the agricultural land, especially in areas used for recreation and tourism. Since the 1990s, the number of transport infrastructure (in particular drag lifts, number of cable cars remained stable) in the mountains has decreased slightly (status 2020: 2,433 installations), but the extent of snow making infrastructure has increased substantially. Of the 22,500 ha of pistes in Switzerland, 11,975 ha now have artificial snow (in 2020: 53 %). Typically, these structural interventions (e.g. pipe trenches) and anthropogenic soil movements affect easily accessible subalpine and alpine nutrient-poor grassland, which have very slow regeneration times due to temperature and the short vegetation period. Today, the high-altitude revegetation shows a pleasing success with regard to the important erosion protection and the achieved coverage of the vascular plants. From a phytosociological perspective however, it represents insufficient restoration, which contradicts the conservation of alpine biodiversity in Switzerland. Therefore, several success controls of high-altitude revegetation have already been carried out in recent years. However, with the advent of genetic analyses for species identification, revegetation can now be evaluated not only on the surface, but statements can be made about the entire biocenosis. The present work on the differences in disturbed and undisturbed alpine pastures is a start by applying these same methods on a small geographical scale to the well-studied species group of soil bacteria, combined with phytosociological surveys and soil chemical analyses. Vegetation surveys and soil samples were taken within two former construction sites and near them in undisturbed areas at 2500 m a. s. l., above the tree line in circular 10 m2 plots at the Curtinella ski lift on the Corvatsch mountain range (Canton Graubünden, Switzerland) in 2021. The construction sites were re-vegetated in 2017 (seeding and turf) and 2020 (turf). The areas from 2017 are used as ski slopes with artificial snow. The vegetation cover of the species was recorded, the soil cover (stones, gravel, fine soil) estimated and the soil depth, pH and electrical conductivity measured. The nutrient content (C, H, N) as well as the content of active microorganisms of the soil samples were analysed. In addition, the bacterial community was analysed via 16S rRNA-sequencing. The Shannon index was used as a measure of Biodiversity of species community, which was compared in pairs between the different types of sites investigated. The plots of the sown construction site from 2017 show a decrease in the number of species and Shannon index compared to the undisturbed plots, the plots of the construction site with turf from 2020 show a decrease in the vegetation cover and Shannon index. Soil chemical and biological parameters correlated strongly with soil depth and the proportion of gravel fraction of the topsoil as well as the cover of the herb layer. Both former construction sites show a significant decrease in soil depth and nutrients and an increase of pH. In addition, a significant decrease in soil microbial activity could be detected, as well as a general decrease in bacterial abundance. The Shannon index of the bacterial communities, however, was higher in the disturbed areas. In general, the composition of the bacteria differed and the undisturbed areas could be clearly distinguished. This resulted in eight common taxa of bacteria at the genus level, which in turn will serve as indicators for undisturbed alpine soils in the study area. Despite the rather successful revegetation for this altitude, the results of this small-scale study in construction sites after one to four years, show a considerable loss of plant species diversity and topsoil quantity, which has a direct impact on the nutrients available in the soil as well as on the bacterial abundance and its composition. With the claim of maintaining biodiversity in high elevation revegetation, this methodology can be applied in a larger scale study to include additional species groups and describe a more holistic biocenosis. Given the slow regeneration time of soils and habitats at this altitude as well as the current high soil losses worldwide, the results speak also for a considerate approach to future construction sites in alpine regions

Strassenräume entsiegeln und blau-grün gestalten

Im Strassenraum bestehen hohe Anforderungen an eine standortgerechte Begrünung und den Rückhalt von Wasser für die Pflanzen, aber auch die genügend schnelle Versickerung und Reinigung von Strassenabwasser. Im Rahmen einer umfassenden Recherche wurden der Wissensstand und die offenen Herausforderungen zusammengetragen, verbunden mit konkreten Handlungsempfehlungen für die Planungspraxis

Differences in vegetation composition, bacterial community and soil properties after restoration of construction sites on alpine grasslands

Vegetation surveys and soil samples were taken within two former construction sites and near them in undisturbed areas at 2500 m, above the tree line in circular 10 m2 plots at the Curtinella ski lift on the Corvatsch mountain range (Canton Graubünden, Switzerland) in 2021. The sites were re-vegetated in 2015 (seeding and turf) and 2020 (turf). The areas from 2015 are used as ski slopes with artificial snow. Vegetation cover per species recorded as well as ground cover (stones, gravel, fine soil) was estimated and the soil depth, pH and electrical conductivity were measured. The nutrient content (C, H, N) as well as the content of active microorganisms of the soil samples were analysed. In addition, the bacterial community was analysed via 16S rRNA-sequencing. The plots of the sown construction site from 2015 show a decrease in the number of species and Shannon Index compared to the undisturbed plots, the plots of the construction site with turf from 2020 show a decrease in the vegetation cover and Shannon Index. Both former construction sites show a significant decrease in soil depth and nutrients and an increase of pH. In addition, a significant decrease in soil microbial activity could be detected. The bacterial communities differ between the former construction sites and the undisturbed area. Despite the successful revegetation for this altitude, the results show a considerable loss of topsoil and species diversity of the investigated species groups and speak for a considerate approach for future construction sites in alpine regions

Vergleich der Eignung von bewachsenen Boden- und Sandfiltern zur Reinigung von Strassenabwasser

Die ersten Erfahrungen mit Bodenfiltern in Strassenabwasser-Behandlungsanlagen (SABA) zeigten, dass diese Nachteile wie schlechte Durchlässigkeit, Neigung zur Kolmation oder ungenügende Reinigungsleistung aufwiesen. Das Hauptargument gegen Bodenfilter war der präferenzielle Fluss in der Bodenschicht. Von bepflanzten Sandfiltern hingegen erwartete man sich Vorteile wie geringen Platzbedarf, gute hydraulische Leistung bei gleichzeitig genügender Reinigungsleistung und vereinfachtem Unterhalt. Sandfilter standen aber auch im Verdacht, die Schadstoffe im Vergleich zu Bodenfiltern weniger gut zurückzuhalten und wurden deshalb bisher nicht für die Kategorie "erhöhte Anforderungen" vorgeschlagen. Es gab jedoch in der Literatur Hinweise, nach denen bepflanzte Sandfilter den Bodenfiltern in der Reinigungsleistung überlegen sein könnten. Ziel der Arbeiten war, die bestehenden Unsicherheiten auszuräumen und Boden- und Sandfilter in ihrer hydraulischen Leistung, Reinigungsleistung sowie den Kosten für Betrieb und Unterhalt zu vergleichen. Dazu wurden die Ergebnisse von Funktionskontrollen an 20 Anlagen (12 Bodenfilter, 8 Sandfilter) ausgewertet. Für die Auswertung der Investitions- und Betriebskosten standen die Angaben von 49 Anlagen (31 Bodenfilter, 18 Sandfilter) zur Verfügung. Die Untersuchungen anhand von Aufgrabungen in den Filtern zeigten, dass die Partikel aus dem Strassenabwasser mit den adsorbierten Schadstoffen in den Filterschichten zurückgehalten werden. Im Vergleich zum Boden zeigte der Sand eine deutlich bessere Filterwirkung, indem der weitaus grösste Teil der Partikel und Schadstoffe entweder in einer Sedimentauflage an der Oberfläche oder in den obersten cm der Sandschicht als deutlich erkennbare Invasionszone zurückgehalten wird. Analysen von Boden- und Sandproben, Messungen der Leitfähigkeit in den RFB und Färbeversuche mit einem Farbtracer ergaben, dass im Bodenfilter die Stoffe durch präferenziellen Fluss im Vergleich zum Sandfilter schneller und in grössere Tiefen verlagert werden. Die mechanische Filterung ist im Sand effektiver als im Boden. Auch die Möglichkeit der Adsorption gelöster Stoffe an Tonminerale in Bodenfiltern bietet keine zusätzlichen Vorteile. Der spezifische hydraulische Durchfluss von Sandfiltern ist im Vergleich zu Bodenfiltern im Mittel um das Vierfache höher. Sandfilter haben demnach eine deutlich höhere hydraulische Leistung und beanspruchen daher auch weniger Fläche als Bodenfilter. Die Ablaufkonzentrationen von GUS und Kupfer sind bei Boden- und Sandfiltern ungefähr gleich, während sie für Zink bei Sandfiltern um mindestens eine Leistungsklasse besser als bei Bodenfiltern sind. Sandfilter zeigen somit eine mindestens gleich hohe und zudem stabilere Schadstoffentfernung als Bodenfilter, und dies trotz höherer hydraulischer Leistung. Die Auswertung von Daten aus dem SABA Kataster (MISTRA SABA) zu den Investitionskosten pro SABA ergab eine grosse Spannweite von ca. CHF 100‘000 bis ca. CHF 600‘000 pro Hektare entwässerter Strassenfläche (Bodenfilter: CHF 230‘000, Sandfilter: CHF 180‘000, Medianwerte). Die erfassten Angaben zu den mittleren jährlichen Betriebskosten pro Hektare entwässerter Strassenfläche zeigen Werte für SABA mit Bodenfilter von ca. CHF 3‘000 und für SABA mit Sandfilter von ca. CHF 2‘000. Der Unterhalt von Sandfiltern ist wesentlich einfacher, da diese nicht wie Bodenfilter jährlich gemäht werden müssen und kein Schnittgut zu entsorgen ist. Zudem sind die spezifischen Filterflächen pro Hektare entwässerter Strassenfläche bei den ausgewerteten Bodenfiltern grösser als bei den Sandfiltern (Bodenfilter: ca. 300 m2, Sandfilter: ca. 200 m2, Mittelwerte). Sandfilter sind demnach den Bodenfiltern vorzuziehen. Sie weisen eine mindestens gleich hohe Reinigungsleistung wie Bodenfilter auf, und das bei deutlich besserer hydraulischer Leistung. Sie sind günstiger im Bau und einfacher im Unterhalt

The influence of nitrilotriacetate on heavy metal uptake of lettuce and ryegrass

Metal uptake and removal from the soil by plants may be a useful measure to remediate contaminated soils. These processes can be enhanced by adding metal chelators to soil. We investigated the effect of nitrilotriacetate (NTA) and urea on the uptake of Cd, Cn, and Zn by lettuce (Lactuca sativa L. cv. Orion) and Italian ryegrass (Lolium perenne L. cv. Bastion) in pot experiments. Nitric acid-extractable heavy metal concentrations in the contaminated soil were 2 mg Cd, 530 mg Cu, and 700 mg Zn kg(-1). Three NTA treatments (0.5, 1.8, and 5.3 mol m(-2)) were compared with two urea treatments (0.25 and 0.9 mol m(-2)), and a control. Nitrilotriacetate and urea increased the NaNO(3)-extraftable soil concentrations of the three metals. At the highest NTA dose, metal concentrations in the aboveground plant biomass was 4 to 24 times greater than in the control plants. While NTA increased plant metal concentrations, it reduced plant matter production. At lower doses, this effect was small. At the highest NTA dose, plant growth was almost completely inhibited. Severe visual symptoms indicated metal toxicity as the likely cause. The urea treatments generally increased the plant matter production. Total metal uptake was in general larger at the lowest or at the intermediate NTA dose than at the highest doses. Little additional total metal uptake was achieved with NTA treatments than with urea. Compared with the controls, neither NTA nor urea enhanced total uptake under the given conditons by more than threefold