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Abstract

Background
Fecal indicator organisms such as Escherichia coli, enterococci, and coliphages are important to assess, monitor, and predict microbial water quality in natural freshwater ecosystems. To improve predictive modelling of fecal indicators in surface waters, it is vital to assess the influence of autochthonous and allochthonous environmental factors on microbial water quality in riverine systems. To better understand how environmental conditions influence the fate of fecal indicators under varying weather conditions, the interdependencies of environmental parameters and concentrations of E. coli, intestinal enterococci, and somatic coliphages were studied at two rivers (Rhine and Moselle in Rhineland-Palatinate, Germany) over a period of 2 years that exhibited contrasting hydrological conditions. Both riverine sampling sites were subject to similar meteorological conditions based on spatial proximity, but differed in hydrodynamics and hydrochemistry, thus providing further insight into the role of river-specific determinants on fecal indicator concentrations. Furthermore, a Bayesian multiple linear regression approach that complies with the European Bathing Water Directive was applied to both rivers' datasets to test model transferability and the validity of microbial water quality predictions in riverine systems under varying flow regimes.


Results
According to multivariate statistical analyses, rainfall events and high water discharge favored the input and dissemination of fecal indicators in both rivers. As expected, concentrations declined with rising global solar irradiance, water temperature, and pH. While variations in coliphage concentrations were predominantly driven by hydro-meteorological factors, bacterial indicator concentrations were strongly influenced by autochthonous biotic factors related to primary production. This was more pronounced under low flow conditions accompanied by strong phytoplankton blooms. Strong seasonal variations pointed towards bacterial indicator losses due to grazing activities. The Bayesian linear regression approach provided appropriate water quality predictions at the Rhine sampling site based on discharge, global solar irradiance, and rainfall as fecal indicator distributions were predominantly driven by hydro-meteorological factors.


Conclusions
Assessment of microbial water quality predictions implied that rivers characterized by strong hydrodynamics qualify for multiple linear regression models using readily measurable hydro-meteorological parameters. In rivers where trophic interactions exceed hydrodynamic influences, such as the Moselle, viral indicators may pose a more reliable response variable in statistical models.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Phorwärts" wurde auf Basis aktuell erhobener Daten die konventionelle Phosphatdüngemittelherstellung (vom Abbau des Phosphaterzes in der Mine bis zur Anwendung auf dem Feld) mit ausgewählten Verfahren der P-Rückgewinnung aus dem Abwasserpfad ökobilanziell verglichen. Die verschiedenen Düngemittel wurden hinsichtlich ihrer Kontaminationen wie den Schwermetallen, den organischen Schadstoffen und den Pharmaka-Rückständen zusätzlich in einer vergleichenden Risikobewertung der Düngemittelanwendung für die Wirkungspfade Bodenorganismen, Grundwasser und im Hinblick auf die menschliche Gesundheit untersucht. Eine Kostenschätzung der verschiedenen Produktionswege komplettiert den Vergleich der konventionellen Phosphatdüngemittelproduktion mit der Produktion von Recyclingdüngern aus der Kläranlage. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass eine technische Phosphatrückgewinnung aus dem Abwasserpfad unter bestimmten Bedingungen ökologisch und wirtschaftlich sinnvoll ist. Neben dem eigentlichen Phosphatrückgewinnungsverfahren sind in hohem Maße die lokalen Randbedingungen bezüglich der Ergebnisse der vergleichenden Bewertung entscheidend. Unter Berücksichtigung der kommenden gesetzlichen Randbedingungen der Dünge- und der Klärschlammverordnung wird in Zukunft voraussichtlich die Monoverbrennung als primäre Option für die Klärschlammentsorgung dienen und die Phosphatrückgewinnung vorwiegend aus der Klärschlammasche erfolgen. Da bei der Rückgewinnung aus der Klärschlammasche hohe Rückgewinnungsraten, die den Vorgaben der Klärschlammverordnung genügen, erzielt werden können, ist ab dem Kalenderjahr 2029 mit etwa 30.000 bis 40.000 Tonnen Phosphor pro Jahr in Form von Phosphatrezyklaten zu rechnen. Inwieweit und zu welchen Preisen diese Rezyklate durch den Markt angenommen werden, kann aus heutiger Sicht noch nicht abgeschätzt werden.