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An einer aus fünf Laufwasserkraftwerken bestehenden Kraftwerkskette an der Iller zwischen Altusried und Lautrach (Illerstufen 4 - 8; Schwaben, Bayern) mit einer Fließgewässerlänge von 25 Fkm wurden in drei Kraftwerksunterwasserstrecken mit verschiedenen Methoden auf einer Länge von jeweils rund 300 m kiesige Gewässerstrukturen geschaffen. Zudem wurden alle Kraftwerke mit Fischwanderhilfen durchgängig gestaltet. In einem Monitoringprogramm wurde der Erfolg der verschiedenen Methoden zur Schaffung kiesiger Gewässerstrukturen zur Förderung rheophiler Fischarten, Wanderbewegungen potamodromer Fischarten durch die fünf Fischwanderhilfen und das gesamte Untersuchungsgebiet sowie die Eignung und Nutzung der Fischwanderhilfen als Schlüsselhabitate für verschiedene Fischarten untersucht. Dazu wurden von August 2016 bis Ende 2019 die Fischbestände von 1.500 m langen Gewässerstrecken unterhalb der Kraftwerke sowie in den Fischwanderhilfen mehrmals jährlich erhoben. Die Aufstiegsbewegungen durch die Fischwanderhilfen wurden mit reusenähnlichen Zählbecken dokumentiert. Sowohl bei den Elektrobefischungen als auch dem Monitoring der Aufstiegsbewegungen durch die Fischwanderhilfen wurden Fische spezifisch für den Fangort mit Druckinjektionen von Farbstoffen markiert. Bei den Fischbestandserhebungen wurden Bestandszunahmen von verschiedenen Arten und Altersklassen in den untersuchten Flussabschnitten dokumentiert, vor allem von Äsche (Thymallus thymallus) und Barbe (Barbus barbus). Verschiedene Fischarten nutzen die Habitate in den naturnahen Fischwanderhilfen und dem Hauptfluss höchst unterschiedlich. Einzelne Arten verbringen bestimmte Phasen des Lebenszyklus primär in einem der beiden Gewässerkompartimente. Es wurde nachgewiesen, dass naturnahe Fischwanderhilfen als Laichhabitat für kieslaichende Fischarten sowie als Juvenil- und Sommerhabitat eine wichtige Rolle spielen können. Mit Farbmarkierungen wurden Aufstiegsbewegungen über bis zu vier Fischwanderhilfen hinweg nachgewiesen. Besonders Flussbarsche (Perca fluviatilis), Barben und Döbel (Squalius cephalus) stiegen in hohen Individuenzahlen über mehrere Fischwanderhilfen hinweg auf. Ebenso wurden Wanderbewegungen über mehrere Fischwanderhilfen auch von stagnophilen Arten wie der Rotfeder (Scardinius erythrophthalmus) aufgezeigt. Es wurden auch Abstiegsbewegungen markierter Fische über die Wehranlagen hinweg dokumentiert, in hohen Anteilen besonders von Salmoniden wie Bachforelle (Salmo trutta fario), Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss), Huchen (Hucho hucho) und Saibling (Salvelinus sp.). In den fünf Zählbecken wurden 50.195 Fische aus 30 Arten nachgewiesen. Es wurden mit Generalisierten Linearen Modellen für 17 Fischarten signifikante Zusammenhänge des zeitlichen Musters der in den Zählbecken nachgewiesenen Individuenzahlen mit unterschiedlichen Umweltfaktoren dokumentiert. Die Haupteinflussfaktoren auf die Aufstiegsbewegungen unterscheiden sich zwischen verschiedenen Fischarten und Altersklassen, ebenso deren Reaktion auf signifikante Umweltfaktoren. Bei zahlreichen Arten und Altersklassen wurde jedoch besonders ein Zusammenhang der dokumentierten Individuenzahlen in den Zählbecken mit der Wassertemperatur und Tageslänge aufgezeigt. Die Tageslängen und Wassertemperaturen mit den höchsten Aufstiegszahlen adulter Individuen zeigten dabei bei zahlreichen Arten einen Zusammenhang mit den in bestehender Literatur angegebenen Wassertemperaturen und Zeiträumen der Laichzeit. Besonders bei juvenilen Cypriniformes wurden ausgeprägte Aufstiegsbewegungen im Hochsommer bei hohen Wassertemperaturen nachgewiesen. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wurde ein auf andere Gewässer übertragbares Konzept zur Förderung potamodromer Fischarten in staugeprägten Fließgewässern erarbeitet, welches auf drei Säulen basiert. Als erste Säule müssen Schlüsselhabitate für rheophile Fischarten im Hauptfluss geschaffen werden. Die zweite Säule wird von der Durchgängigkeit mittels Fischwanderhilfen und in natürliche Seitengewässer gebildet. Ist diese sichergestellt, wird die dritte Säule von Schlüsselhabitaten in Fischwanderhilfen und natürlichen Nebengewässern geschaffen, hier sind besonders Laich-, Larval- und Juvenilhabitate von großer Bedeutung. Diese dürfen jedoch nicht die Passierbarkeit der Fischwanderhilfen einschränken. Von bestimmten Arten wie der Nase (Chondrostoma nasus) wurden auch nach Schaffung geeigneter Laichhabitate im Hauptfluss weiterhin die Laichhabitate in den Fischwanderhilfen genutzt. Barben (Barbus barbus) nutzten während des Untersuchungszeitraums in keiner der Fischwanderhilfen die geschaffenen Kieslaichplätze, eine Fortpflanzung fand ausschließlich im Hauptfluss statt. Die ausbleibende Verbesserung des Fischbestands in der Versuchsstrecke unterhalb der nicht restaurierten Illerstufe 8 zeigt, dass in stark anthropogen degradierten Gewässerstrecken eine alleinige Schaffung von Schlüsselhabitaten in Fischwanderhilfen zur Förderung rheophiler Fischarten nicht ausreichend ist. Da belegt wurde, dass verschiedene untersuchte Fischarten Schlüsselhabitate ihrer Lebenszyklen auf artspezifisch unterschiedliche Art und Weise sowohl im Hauptfluss als auch in Nebengewässern nutzen, müssen bei Restaurierungsprojekten die Anforderungen der Zielfischarten auf Artebene betrachtet werden. Mit den Daten der vorliegenden Arbeit wurde dokumentiert, dass habitatschaffende Maßnahmen sowohl im Hauptfluss als auch in Nebengewässern, wie z. B. naturnah konstruierten Fischwanderhilfen, umgesetzt werden müssen, um potamodrome Fischarten zu fördern.

Fish move up- and downstream within rivers throughout their lives to find suitable habitats. During downstream movements, they can incur severe or even lethal injuries when passing through hydropower plant (HPP) turbines or when they are entrained at other water intakes. Horizontal bar rack bypass systems (HBR-BSs) are a state-of-the-art technology to protect and guide downstream moving fish through a safe corridor around water intakes. They are in operation at multiple HPPs for more than a decade, but technical knowledge about the velocity fields, the head losses, the fish guidance efficiency, and the clogging probability was so far missing. This doctoral thesis encompasses the state of knowledge of HBR-BSs and contributes with novel findings to this topic through hydraulic experiments and live fish tests. The velocity fields of HBR-BSs and hydraulic losses of horizontal bar racks (HBRs) were quantified for a wide parameter range. The fish guidance efficiency was assessed through live fish tests involving a diverse assemblage of riverine fish species, namely spirlin (Alburnoides bipunctatus), barbel (Barbus barbus), nase (Chondrostoma nasus), brown trout (Salmo trutta), Atlantic salmon parr (Salmo salar), and European eel (Anguilla anguilla). Systematic experiments with leaves of different tree species were carried out to determine the clogging probability at HBRs. The main findings of the present thesis include a detailed analysis of the effect of different parameters on the velocity fields up- and downstream of HBRs. Equations were proposed to predict the head losses at HBRs, which can be applied for a wide parameter range, including rectangular and foil-shaped bars, bottom and top overlays, and different HPP layouts. By applying foil-shaped instead of rectangular bars, the losses were reduced by more than 40%, depending on the rack configuration. The fish swimming behavior was analyzed in detail and equations were proposed to estimate the protection and guidance efficiency of HBR-BSs as a function of the clear bar spacing and the fish dimensions. The fish protection efficiency varied between the factors fish species, size, and clear bar spacing of the HBR. While the laboratory HBR-BS with a clear bar spacing of 20mm offered hardly any protection for juvenile nase, the average protection efficiency exceeded 90% for spirlin and European eel. The behavioral avoidance effect strongly increased with the application of a low-voltage electric field to the HBR-BS. High protection efficiencies were achieved for spirlin and eel, but their behavior strongly depended on their orientation in the electric field and spirlin often refused to enter the bypass. The probability that a leaf clogged at any bar of an HBR decreased linearly for larger clear bar spacings, while the probability of clogging over multiple bars decayed exponentially. The present work provides technical knowledge to design HBR-BSs, thereby accounting for fish protection, cost-efficiency, and sustainable operation. The weighting of these aspects has to be defined by involving all stakeholders. The findings of the present study contribute to a better understanding of the hydraulic processes and the fish behavior at HBR-BSs, but they cannot replace extensive monitoring campaigns at prototype sites, which are necessary to verify functional efficiency.

Dieser Beitrag thematisiert die Biologie und die Schutzbedürftigkeit der Störe (Acipenseridae), einer urzeitlichen Familie der Knochenfische, deren Vertreter noch vor kurzer Zeit in unseren Flüssen weit verbreitet waren. Es werden Unterrichtsbezüge für die 6. bis 12. Jahrgangsstufe vorgestellt und zu den Gebieten: Ökologie, der Mensch als Umweltfaktor – Biodiversität und Wirbeltiere in verschiedenen Lebensräumen.

In the present thesis, it was for the first time possible to directly assess the entire silver eel escapement from a medium freshwater system in Northern Germany (Schwentine river system) over a 3-year period (Chapter I). The rare possibility to document the complete escapement of silver eels out of the system and the complete recruitment (via stocking) to the system, allowed for the characterization of factors acting on the amount of emigrating spawners. Thereby, it was possible to document the potential of the Schwentine river system to produce (healthy) silver eels and compare the results with the escapement requirements of the EU Regulation. It became obvious that current estimates of the silver eel escapement from a freshwater system in Northern Germany are overstated. Such an overestimation will have severe consequences for the future development of the European eel stock, because it might lead to a false-positive evaluation of the management success. As it is usually not possible to directly assess the entire silver eel escapement from a freshwater system, scientists across Europe rely on population dynamics models to describe the spawner output. To evaluate the accuracy of such model-approaches, it is of high importance to assess how close to reality the model output actually is. Comparing modeled escapement numbers with the directly assessed in situ silver eel output provides possibly the best evaluation of the model potential. In Chapter II, the German Eel Model II (GEM II), applied in the German EMP, was used to estimate the potential silver eel output of the Schwentine river system. To do so, it was first necessary to adjust the GEM II for the system-specific population characteristics of the Schwentine river eel population. Estimated escapement numbers were in the same range of the actually documented escapement in Chapter I. Results, thereby, document the potential of the GEM II in providing the necessary base for sound management decisions. At the same time, however, Chapter II illustrates the absolute necessity to minimize the generalization of input parameters. Only by a fine adjustment of input parameters to system-specific population characteristics, it is achievable to ensure the highest model accuracy possible. Up to date, management of the European eel is primarily restricted to the inland waters of the European Member States. In order to fulfill the required minimal escapement numbers, many Member States decided to extend already existing stocking programs. Today, these programs already require huge numbers of glass eels, caught at the coast of France and Spain and then allocated all across Europe. This procedure is subject of a lot of controversy, because it is still not entirely clear, whether the translocation of glass eels from the Atlantic coast to Northern Europe interferes with their ability to find the spawning location once they become silver eels and leave continental inland waters. Therefore, in Chapter III, formerly stocked silver eels from the Schwentine river system were tagged with T-Bar Anchor Tags to track their migration route through the Baltic Sea and evaluate their migratory success. Recapture reports accumulated in the Danish Belt Sea and results indicate the capability of stocked eels to successfully find the passage from the Baltic Sea into the North Sea without being dependent on an imprinting. In addition, however, documented migration speeds had to be considered to be too slow to reach the spawning ground in time for reproduction. The lack of imprinting seems to force the eels to search for the right route and it is highly questionable whether these eels are still part of the effective population size and thus can contribute to the stock recovery. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals die gesamte Blankaalabwanderung eines mittelgroßen Binnengewässers (Schwentine Flusssystem) in Norddeutschland über einen Zeitraum von 3 Jahren direkt erfasst werden (Kapitel I). Die seltene Möglichkeit die komplette Abwanderung von adulten Aalen, sowie die Rekrutierung von Jungtieren (durch Besatz) direkt zu erfassen und nicht abschätzen zu müssen, sowie die Quantifizierung verschiedenster Sterblichkeitsfaktoren für Aale im untersuchten Binnengewässer, ermöglichte die Dokumentation der Einflussfaktoren auf die Anzahl der abwandernden Blankaale. Hierdurch war es möglich, die Blankaalproduktion des Schwentinesystems zu beurteilen und die erfasste Abwanderung mit den Vorgaben der EG-Verordnung, bzw. der Aalbewirtschaftungspläne, zu vergleichen. Dabei wurde deutlich, dass bisherige Abschätzungen der Blankaalproduktion des Schwentine Systems die tatsächlich stattfindende Abwanderung offensichtlich überschätzen. Dies kann weitreichende Folgen für die weitere Entwicklung des Aalbestandes haben, führt die Überschätzung der Abwanderung doch zur fehlerhaften Beurteilung bereits etablierter Managementmaßnahmen. Da die Möglichkeit die Blankaalabwanderung direkt zu erfassen in der Regel nicht gegeben ist, sind Wissenschaftler in ganz Europa darauf angewiesen, die tatsächliche Abwanderung mit Hilfe von Populationsmodel zu schätzen. Um die Genauigkeit solcher Modellierungen zu beurteilen, ist es dringend nötig die Realitätsnähe der Modelle zu evaluieren. Die Modelergebnisse mit der tatsächlich dokumentierten Abwanderung vergleichen zu können, schafft hier für nahezu ideale Bedingungen. In Kapitel II wurde das in den deutschen Aalbewirtschaftungsplänen verwendete German Eel Model II (GEM II) genutzt um die potentielle Blankaalabwanderung der Schwentine zu modellieren. Hierfür war es zunächst nötig, dass Modell an die systemspezifischen Charakteristika der Aalpopulation der Schwentine anzupassen. Die mit Hilfe des angepassten GEM II geschätzte potentielle Blankaalabwanderung entsprach in etwa der tatsächlich dokumentierten Abwanderung (Kapitel I). Die Ergebnisse dokumentieren das enorme Potential des GEM II. Gleichzeitig verdeutlichen sie aber auch die Notwendigkeit der Erfassung systemspezifischer Populationscharakteristika um die höchstmögliche Realitätsnähe des Modells zu gewährleisten. Bisher beschränken sich die Maßnahmen zu Wiederauffüllung des Aalbestandes in erster Linie auf die europäischen Binnengewässer. Um die geforderten Mindestabwanderungen zu sichern, konzentrieren sich viele EU Mitgliedstaaten unter anderem darauf, bestehende Besatzprogramme auszubauen. Dafür werden schon jetzt große Mengen Glassaale an den Küsten von Frankreich und Spanien gefangen und auf Binnengewässer in ganz Europa verteilt. Diese Praxis ist nicht unumstritten, konnte doch bisher nicht endgültig geklärt werden, inwiefern sich der Transport von Glassaalen aus dem Atlantik nach Nordeuropa auf deren Fähigkeit die richtigen Wanderouten zum Laichgebiet zu finden auswirkt. Deshalb wurden für Kapitel III Blankaale aus dem Schwentine System mit externen „T-Bar Anchor Tags“ markiert und dann erneut in die Schwentine gesetzt um eine ungehinderte Abwanderung zu ermöglichen. Wiederfangmeldungen konzentrierten sich in der dänischen Beltsee. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass besetzte Aale trotz des Mangels eines imprintings der Wanderroute in der Lage sind, den Weg aus der Ostsee zu finden. Gleichzeitig konnte jedoch auch gezeigt werden, dass die Wandergeschwindigkeiten der besetzten Aale deutlich zu langsam sind, um rechtzeitig im Laichgebiet anzukommen. Es scheint, als würden die Aale nach der richtigen Route suchen müssen und wären somit nur bedingt in der Lage ohne imprinting zielgerichtet abzuwandern. Es muss deshalb in Frage gestellt werden, ob diese besetzten Aale noch Teil der effektiven Population sind und somit zur Arterhaltung beitragen können.

Verf. Martin Schober Zsfassung in engl. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Masterarb., 2013

Verf.: Jürgen Kern Zsfassung in engl. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Masterarb., 2013

In this thesis otolith microchemistry analyses were used to gain insights into the individual life history and stock characteristics of three fish species from the Baltic Sea - the European eel Anguilla anguilla, the Atlantic cod Gadus morhua and the thicklip grey mullet Chelon labrosus. The special hydrographic environment of the world’s largest brackish water system provides promising conditions for the use of otolith elemental analysis to investigate individual migration patterns and stock structures of fish. Here, it was used to gain information with relevance for stock management of fish species that differ widely in their biology, ecology and stock structure. It was investigated whether individual continental migratory history affects health and spawner quality of the European eel. Otolith strontium (Sr) composition was used to identify characteristic migration patterns. Results show that the muscle fat contents of silver eels with strictly catadromous life cycles are significantly reduced compared to silver eels that never entered freshwaters. Furthermore, prevalence and infection intensities of the swimbladder nematode Anguillicoloides crassus are highly increased in catadromous silver eels. Both, a reduced accumulation of fat reserves and intense A. crassus infestations are assumed to impair the successful reproduction of A. anguilla. These results highlight the importance of brackish water habitats for the production of high quality spawners and question the benefit of restocking measures into inland waters. In order to investigate the influence of water temperature and feeding behaviour on the element incorporation into A. anguilla otoliths, two experimental studies were conducted. Results showed that otolith element incorporation is influenced by water temperature, but detected differences between treatments were low to allow an in situ reconstruction of temperature history. In the food experiment no effect on otolith microchemistry was detected between feeding groups. Results indicate that neither temperature changes nor individual dietary behaviour impair the use of otolith Sr concentrations as a tracer of diadromy. Thus the reliability of such migration studies is fundamentally increased. It was further investigated whether multi-element otolith analysis can be used to discriminate Atlantic cod individuals according to their origin. Otolith multi-element concentrations from adult individuals caught at spawning grounds in the North Sea, the western Baltic Sea and the eastern Baltic Sea were analysed. Furthermore, the multi-element composition of the core region of juvenile cod otoliths from western and eastern Baltic areas was examined. Multivariate statistical analyses successfully discriminated between adults from different stocks as well as between western and eastern Baltic Sea juveniles. Significant differences between the eastern Baltic spawning grounds, however, were not detected. These results demonstrate the potential of otolith microchemistry analysis to investigate the structure and connectivity of G. morhua stocks in the Baltic Sea. In a further field study the migratory behaviour of thicklip grey mullet was examined for the first time on individuals caught in the Baltic Sea. By detecting C. labrosus otolith Sr concentrations, this study aimed to gain first insights into preferences and whereabouts of individuals in the Baltic Sea. Results confirmed a preference of brackish habitats for all analysed specimens and suggest a high plasticity of C. labrosus migratory behaviour. The results support the assumption that a considerable fraction of individuals entering the western Baltic Sea regularly migrate to the North Sea. The results presented in this thesis confirm the feasibility of otolith microchemistry analyses for the investigation of a broad range of questions on Baltic Sea fish. Knowledge about investigated species was expanded and opportunities for future studies were indicated. In dieser Arbeit wurden anhand mikrochemischer Otolithenanalysen Erkenntnisse über die individuelle Lebensweise und die Bestandsstruktur von drei Fischarten aus der Ostsee gewonnen – dem Europäischen Aal Anguilla anguilla, dem Atlantischen Kabeljau Gadus morhua und der Dicklippigen Meeräsche Chelon labrosus. Die hydrographischen Besonderheiten der Ostsee als weltgrößtes Brackwassersystem bieten vielversprechende Voraussetzungen für die Anwendung von Otolithen-Elementanalysen zur Untersuchung des individuellen Wanderverhaltens von Fischen und deren Bestandsstrukturen. Hier wurden sie genutzt, um managementrelevante Fragestellungen von Fischarten zu untersuchen, die sich hinsichtlich ihrer Biologie, Ökologie und Bestandsstruktur sehr unterscheiden. Es wurde untersucht, ob das kontinentale Wanderverhalten Europäischer Aale deren Gesundheit und Laicherqualität beeinflusst. Dazu wurden anhand der Otolithen-Strontiumverteilung charakteristische Wandermuster ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Muskelfettgehalt von Blankaalen mit strikt katadromen Wanderverhalten signifikant geringer ist als der von Blankaalen, die niemals ins Süßwasser eingewandert sind. Darüber hinaus sind Prävalenz und Befallsintensität mit dem Schwimmblasen-Nematoden Anguillicoloides crassus bei katadromen Blankaalen stark erhöht. Sowohl eine verringerte Einlagerung von Fettreserven als auch der intensive Befall mit A. crassus stehen im Verdacht, den Reproduktionserfolg von A. anguilla zu vermindern. Die vorliegenden Ergebnisse heben die Bedeutung von Brackwasserhabitaten für die Produktion von gesunden Laichtieren hervor und stellen den Nutzen von Besatzmaßnahmen in Binnengewässer in Frage. Um den Einfluss von Wassertemperatur und Futterverhalten auf die Elementeinlagerung in A. anguilla-Otolithen zu prüfen, wurden zwei experimentelle Studien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einlagerung von Elementen in die Otolithen zwar von der Wassertemperatur beeinflusst wird. Die Unterschiede zwischen den Futtergruppen waren aber so gering, dass eine Rekonstruktion erlebter Temperaturänderungen in situ schwierig erscheint. Im Futterexperiment konnte kein Effekt auf die Elementeinlagerung detektiert werden Die Ergebnisse zeigen, dass weder Temperaturschwankungen noch unterschiedliches Futterverhalten die Verwendung von Sr zur Rekonstruktion diadromen Verhaltens einschränken. Damit wird die Aussagekraft solcher Migrationsstudien deutlich erhöht. Des Weiteren wurde untersucht, ob Otolithen-Multielementanalysen dazu geeignet sind, G. morhua-Individuen ihrer Herkunft zuzuordnen. Dazu wurde die Multielementzusammensetzung von Otolithen adulter Dorsch von Laichplätzen aus der Nordsee, der westlichen und der östlichen Ostsee untersucht. Des Weiteren wurde die Zusammensetzung der Kernbereiche von Otolithen juveniler Dorsche aus der westlichen und der östlichen Ostsee analysiert. Multivariate statistische Analysen konnten sowohl die adulten Bestände erfolgreich trennen, als auch die Juvenilen aus der westlichen und der östlichen Ostsee unterscheiden. Signifikante Unterschiede zwischen den drei östlichen Laichgebieten konnten aber nicht detektiert werden. Die Ergebnisse zeigen das Potential von Otolithen-Multielementanalysen zur Untersuchung der Struktur und Konnektivität von G. morhua-Beständen. In einer weiteren Feldstudie wurde das Wanderverhalten der Dicklippigen Meeräsche C. labrosus erstmals an Individuen aus der Ostsee untersucht. Ziel der Studie war es, mittels der Analyse von Sr-Konzentrationen in C. labrosus-Otolithen grundsätzliche Informationen über Aufenthaltsorte und Habitatspräferenzen der Ostsee-Meeräschen zu erlangen. Die Ergebnisse bestätigen die Präferenz von Brackwasserhabitaten und lassen eine hohe Plastizität des Wanderverhaltens vermuten. Sie stützen die Vermutung, dass ein erheblicher Teil der in die Ostsee einwanderenden Individuen regelmäßig in die Nordsee zurückkehrt. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen die gute Eignung mikrochemischer Otolithenanalysen zur Untersuchung unterschiedlichster Fragestellungen an Fischarten aus der Ostsee. Das Wissen über die untersuchten Arten wurde erweitert und neue Wege für zukünftige Studien wurden aufgezeigt.

Dario Desimini Graz, Univ., Masterarb., 2009

verf. und eingereicht von Juliana Reimoser Zsfassung in engl. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Dipl.-Arb., 2009