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CHAID Models on boundary conditions of metal accumulation in mosses collected in Germany in 1990, 1995 and 2000

University of Vechta, PO Box 1553, D-49364 Vechta, Germany
Atmospheric Environment (Impact Factor: 3.11). 01/2008; DOI: 10.1016/j.atmosenv.2008.02.058

ABSTRACT The European heavy metals in mosses surveys allow mapping the metal accumulation in mosses indicating atmospheric deposition. Yet, there is still great uncertainty on how local and regional phenomena influence the atmospheric metal bioaccumulation. Therefore, the presented study aims at ranking factors that affect the spatial patterns of the metal concentrations in the mosses. Applying chi-square automatic interaction detection (CHAID) to the German moss measurements and related sampling site-specific descriptions taken from the surveys in 1990, 1995 and 2000 and supplementary land cover data, the spatial variation in metal concentrations in mosses were proved to depend mostly on different moss species, canopy drip and distance to the sea. Most of these findings could be corroborated by classification tree analyses on the same data as presented in another study. The results of both the studies should be verified by applying the same methodology using additional emission and deposition data and monitoring information from other countries participating in the UNECE moss surveys.

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    ABSTRACT: This study aimed at statistically investigating the association between the internal exposure of children and young adults to uranium (U) and epidemiologically relevant external determinants of exposure. The investigation was performed with data from two studies within the framework of the German health-related environmental monitoring program: The German Environmental Survey for Children (GerES IV) conducted by the Federal Environment Agency (Umweltbundesamt) with data on 1,780 children 3-14 years of age and their home environment and the German Environmental Specimen Bank (ESB, section: human specimens) with data on 2,253 students 20-29 years of age. Both studies provided data on the U levels in human urine for all probands. GerES IV furthermore provided an extensive environmental and demographic database on, e.g., U levels in drinking water. The data from GerES IV and ESB were linked by GIS to spatially relevant exposure information, including background values of U in stream sediments and in upper and lower soils, U levels in mosses and particulate matter in the lower atmosphere, precipitation and elevation as well as forest density. Bivariate correlation analysis and two decision tree models showed moderate but significant associations between U in human urine and U levels in drinking water, stream sediments and upper and lower soils. Future investigations considering additional epidemiologically relevant data sets may differentiate the results. Furthermore, the sample design of future environmental epidemiology studies should take the spatial evaluation of the data into greater account.
    Environmental Geochemistry and Health 03/2011; 33(4):399-408. · 2.08 Impact Factor
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    ABSTRACT: Hintergrund, Ziel und Bereich Das Moosmonitoring liefert seit 1990 alle fünf Jahre flächendeckende Informationen über die Anreicherung atmosphärischer Depositionen von Metallen in Moosen. Seit 2005 wird auch die Stickstoffanreicherung erfasst. Bund und Länder führen das Moosmonitoring arbeitsteilig in dem International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops (ICP Vegetation) durch. Dieser Artikel behandelt die Kartierung der zeitlichen Entwicklung der Metallanreicherung in Mecklenburg-Vorpommern seit 1990, die Stickstoffanreicherung 2005 sowie die räumliche Varianz der Metallbioakkumulation in Abhängigkeit von Eigenschaften der Probeentnahmestellen und ihrer Umgebung unter Berücksichtigung der modellierten Cd-, Hg- und Pb-Gesamtdeposition (EMEP). Material und Methoden Die Sammlung und chemische Analyse der von bis zu 114 Orten stammenden Moose erfolgte nach europaweit harmonisierter Methodik. Die Qualität und die Plausibilität wurden sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene geprüft. Die ökologischen und topografischen Informationen der Beprobungsstandorte wurden mit Informationen über die Landnutzung in der Umgebung der Moosprobenentnahmeorte sowie mit den Messdaten in dem WebGIS MossMet zusammengeführt, ausgewertet und über das PortalU bereitgestellt. Aus den standort- und metallspezifischen Messdaten sowie aus den daraus geostatistisch berechneten Flächendaten über die Metallakkumulation wurde ein zusammenfassender Multimetallindex (MMI1990–2005) für As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Ti, V und Zn berechnet und kartiert. Die Zusammenhänge zwischen den Schwermetallakkumulationen, den Standortcharakteristika sowie der Landnutzung und den Emissionen wurden mit Rangkorrelationskoeffizienten und Kontingenztafeln sowie am Beispiel von Cu multivariat-statistisch mit Chisquare Automatic Interaction Detection (CHAID) bestimmt. Ergebnisse Die chemischen Analysen der Moosproben belegen einen statistisch signifikanten Rückgang der Bioakkumulation von 1990 bis 2005 für die meisten Metalle. Jedoch liegen die Werte für Cr und Zn statistisch signifikant sogar über denjenigen, die 1990 gemessen wurden. Weiterhin nahmen von 2000 bis 2005 die Konzentrationen von As, Cu, Ni, und Ti zu, allerdings nicht signifikant. Die Cd- und Pb-Konzentrationen sanken über alle Messzeitpunkte hinweg signifikant. Nachdem der MMI von 1990 bis 2000 signifikant zurückging, stieg er von 2000 bis 2005 signifikant an. Die in den Moosen Mecklenburg-Vorpommerns gemessenen Stickstoffgehalte rangieren zwischen 1,3 und 2,3 % und sind mit dem Waldflächenanteil negativ korreliert und im selben Maße mit dem Anteil landwirtschaftlich genutzter Flächen in der Umgebung der Beprobungsstellen positiv korreliert. Außer Cd, Pb und Sb sind alle Metallkonzentrationen in den Moosen negativ mit dem Waldflächenanteil korreliert. Alle Metalle außer Cd sind positiv mit dem Agrarflächenanteil im Umfeld der Beprobungsorte assoziiert. Mit Ausnahme von Cr sind alle Metallkonzentrationen in den Moosen negativ mit den Niederschlagssummen korreliert. Nur die Cu- und Zn-Gehalte der Moose weisen keine bzw. eine negative Korrelation mit der Bestandeshöhe auf, für alle anderen Stoffe zeigen sich positive Zusammenhänge. Alle Stoffe außer Cr sind signifikant mit Art, Wuchsform und Häufigkeit der Moose an den Beprobungsorten assoziiert. Die multivariat-statistische CHAID-Analyse identifiziert die Häufigkeit der Moosarten am Beprobungsort, die Moosart und die Entfernung der Moossammelstelle zu Autobahnen und der Ostsee als statistisch wichtigste Begleitmerkmale der Cu-Konzentrationen in den 2005 gesammelten Moosen. Zwischen der modellierten Gesamtdeposition und den Konzentrationen von Cd, Hg und Pb in den Moosen konnten für Hg bei p<0,1 keine Korrelationen nachgewiesen werden. Für Pb betrug 1995 r = 0,52 bei p = 0,012. Für die anderen Erhebungsjahre ließen sich keine Korrelationen mit p <0,05 finden. Diskussion Der Anstieg der Cr-Bioakkumulation vom Jahr 2000 zum Jahr 2005 ist in Mecklenburg-Vorpommern besonders deutlich ausgeprägt. Dieser Trend ist mit regionalen Unterschieden auch im Bundesmittel und auch in anderen Teilnehmerstaaten, wie z. B. in der Schweiz, bestätigt. Depositionsmessnetze haben diesen Trend nicht registriert. Anders als für das UNECE-Gebiet, das Bundesgebiet und einige Bundesländer, lässt sich keine signifikante Korrelation zwischen den Metallkonzentrationen in der Gesamtdeposition und in den Moosen nachweisen. Schlussfolgerungen Die für das Gebiet Mecklenburg-Vorpommerns nicht nachweisbaren signifikanten Korrelationen zwischen Stoffkonzentrationen in Depositionen und Moosen mögen dadurch bedingt sein, dass die EMEP-Depositionsdaten mit 50 × 50 km zu gering aufgelöst sind. Das Moosmonitoring liefert wesentliche Beiträge zur Langzeitumweltbeobachtung, die Bestandteil der UNECE-Nachhaltigkeitsstrategie ist. Es belegt flächendeckend die Erfolge der Luftreinhaltepolitik auf regionaler, nationaler und europäischer Ebene. Anders als Depositionsmessnetze hat das Moosmonitoring eine Trendumkehr identifiziert: Die von 1990 bis 2000 durchgehende Verringerung der Metallanreicherung in Moosen hat sich zwischen 2000 und 2005 in Mecklenburg in einen Anstieg der Konzentration mehrerer Metalle verkehrt. Dieser ist bei Cr und Zn statistisch signifikant Empfehlungen und Perspektiven Die EMEP-Depositionsdaten sollten auf Grundlage der europaweit zu regionalisierenden Regressionsbeziehungen zwischen Depositions- und Mooskonzentrationen räumlich höher aufgelöst werden. Für regionale Betrachtungen sollten die in den Bundesländern vorhandenen, bislang aber nicht nutzbaren Depositionsmessdaten zur Verfügung gestellt werden. Es sollte untersucht werden, worauf der Anstieg der Cr-Konzentrationen über das Niveau im Jahre 1990 hinaus zurückzuführen ist – etwa durch Emissionen oder biogene Effekte – z. B. infolge gleichzeitig angestiegener Stickstoffbelastung? Das Moosmonitoring sollte als methodisch standardisiertes Verfahren, das über mehrere naturräumliche und administrative Ebenen methodisch abgestimmte, qualitätskontrollierte Daten über die Stoffanreicherung in der Umwelt liefert, im bisherigen Umfang fortgeführt werden. Es sollte geprüft werden, ob es um die Erfassung persistenter organischer Stoffe erweitert und auch im Humanbiomonitoring eingesetzt wird. Dies würde es ermöglichen, die Schadstoffbelastung innerhalb und außerhalb von Gebäuden mit demselben Rezeptor zu erfassen. Background, aim and scope Since 1990 the UN ECE Heavy Metals in Mosses Surveys provide data inventories of the atmospheric heavy metal bioaccumulation across Europe. In the survey 2005 the nitrogen accumulation was measured for the first time in most of the participating countries. In Germany, the surveys were conducted in close cooperation of the relevant authorities of both the Federal Republic and the sixteen states. Therefore, statistical evaluations of the moss survey data with regard to the whole German territory and single federal states are of interest. This article concentrates on Mecklenburg-Western Pomerania, dealing with the mapping of the spatiotemporal trends of metal accumulation from 1990 to 2005, the spatial patterns of nitrogen accumulation in 2005, and the spatial variability of bioaccumulation due to characteristics of the sampling sites and their surroundings. Materials and methods The bioaccumulation of up to 40 trace elements in mosses was determined according to a Europe-wide harmonised methodology. The according experimental protocol regulates the selection of sampling sites and moss species, the chemical analysis and quality control and the classification of the measured values for mapping spatial patterns. In Mecklenburg-Western Pomerania all sampling sites were described with regard to topographical and ecological characteristics and several criteria to be fulfilled according to the guideline. Together with the measurements this metadata was combined with other information regarding land use in the surroundings of the sampling sites in the WebGIS MossMet. The spatial structure of the metal bioaccumulation was analysed and modelled by variogram analyses and then mapped by applying different kriging techniques. Furthermore, multi metal indices (MMI) were derived for both the sampling sites and raster maps with help of percentile statistics: The MMI1990–2005 was calculated for As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Ti, V and Zn. The statistical association of the metal bioaccumulation, site specific characteristics as well as information on land use and emissions was analysed by bivariate nonparametric correlation analysis, contingency tables and Chi-square Automatic Interaction Detection (CHAID). Results The results of the quality controlled chemical analyses show a significant decrease of the metal bioaccumulation in Germany from 1990 to 2000 for all elements. However, in Mecklenburg-Western Pomerania the concentrations of Cr and Zn are even significantly higher than those found in 1990. From 2000 to 2005 a further non-significant increase can be stated for As, Cu, Ni and Ti. The concentrations of Cd and Pb decreased significantly throughout all four surveys. The MMI illustrates the temporal trend of the metal bioaccumulation as a whole: After a significant decrease from 1990 to 2000 it increased significantly till 2005. The N concentration in mosses in Mecklenburg-Western Pomerania reaches from 1.3 to 2.3 % in dry mass and is negatively correlated with the forest ratio in the surroundings of the moss sampling sites and to the same degree positively correlated with the area ratio of agricultural land uses. Except for Cd, Pb and Sb all metal concentrations in the mosses are negatively correlated with the forest ratio around the sampling sites. With the exception of Cr all metal concentrations are further negatively correlated with the precipitation sums of the accumulation periods. Only the Cu and Zn concentrations show no or rather a negative correlation with the tree height whereas all other elements exhibit positive correlations. Furthermore, all elements except Cr are significantly associated to the sampled moss species, the growth pattern and the frequency of occurrence of the mosses at the respective sampling sites. Exemplified for Cu multivariate correlations were furthermore detected by CHAID. It could be shown that the frequency of the mosses, the sampled moss species, the distance to motorways and the distance to the Baltic Sea are the statistically most significant boundary conditions of the Cu concentrations in the mosses sampled in Mecklenburg-Western Pomerania in 2005. No correlations were found between the modelled total depositions and the concentrations of Cd, Hg and Pb in the mosses at p <0.1. For Pb in 1995 r is 0.52 at p = 0.012, for the other surveys no correlations at p <0.05 could be found. Discussion The increase of the Cr bioaccumulation from 2000 till 2005 is particularly pronounced in Mecklenburg-Western Pomerania. This trend is confirmed with regional differences in the national average as well as in other participating countries like in Switzerland. Deposition measurements did not register this trend. In contrast to the UNECE area, the federal territory and several federal states no correlations were found between the modelled total depositions and the metal concentrations in the mosses. Conclusions The fact that no correlations were found between the modelled total depositions and the element concentrations in the mosses may be caused by the low spatial resolution (50 × 50 km) of the EMEP data. The moss surveys contribute to the heavy metal and the multi-component-model of CLRTAP because they prove on different spatial scales how air pollution control influences the accumulation of emitted substances in environmental subjects of protection like vegetation. In contrast to deposition measurement networks the moss monitoring identified a trend reversal in Mecklenburg-Western Pomerania: The continuous decrease of the metal bioaccumulation in mosses from 1990 till 2000 has changed to an increase of several metals between 2000 and 2005. This increase is significant for Cr and Zn. Recommendations and perspectives The spatial resolution of the EMEP deposition data should be enhanced based on the Europe-wide regression relationship between the element concentrations in the deposition and in the mosses. For regional studies the existing but so far not useable deposition measurement data of the federal states should be made available. It should further be investigated what caused the increase of the Cr concentrations above the level of 1990 – perhaps emissions or biogenic effects as a consequence of simultaneously increased nitrogen loads? The Heavy Metals in Mosses Surveys are a positive example for environmental monitoring activities reaching across three spatial and administrative levels: regional (e. g. federal state or natural landscape), nation wide (e. g. Germany) and continental (e. g. Europe). In Germany the harmonised and quality controlled moss data are made available via a WebGIS portal. Therefore the moss data may easily be accessed for environmental monitoring purposes and the control of environmental political actions. Hence, the continuous task of environmental monitoring can be met and carried on in the future. It should further be considered to expand the moss monitoring on the survey of persistent organic pollutants and apply it in human-biomonitoring. This would facilitate the acquisition of indoor and outdoor pollution with the same receptor. SchlüsselwörterBioakkumulation-CHAID-EMEP-Gesamtdeposition Cd, Hg, Pb-Geostatistik-Schwermetalle-Stickstoff-Umweltkonzentration KeywordsBioaccumulation-CHAID-EMEP modelled total deposition Cd, Hg, Pb-Geostatistics-Heavy metals-Predicted environmental concentration-Nitrogen
    Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 01/2010; 22(5):596-609.
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    ABSTRACT: The purposes of this study were: to investigate the types of occupational stress that exist in the hotel industry; to explore whether or not hotel employees can be grouped into distinct sub-segments based on the types of occupational stress experienced; and to identify whether or not statistical differences exist among the sub-segments based on demographic characteristics. First, using principal component factor analysis, the 23 occupational stress items were divided into six factors. Second, after conducting K-means cluster analysis based on six occupational stress factor scores, four groups were identified and defined as “sufferers from conflict with job responsibility”, “sufferers from organizational conflict”, “sufferers from problems related to home life” and “sufferers from companies' work and pay practices”. Finally, the result of Chi-square Automatic Interaction Detection method analysis indicated that there were statistically significant differences among the four groups in terms of age, gender, marital status, years of employment and department. The results of this study have significant implications in the management of hotel employees who suffer from occupational stress.
    Asia Pacific Journal of Tourism Research 01/2012; · 0.30 Impact Factor