Occurrence, monitoring and effects of pesticides and their mixtures in agricultural streams

  • Stream ecosystems are one of the most threatened ecosystems worldwide due to their exposure to diverse anthropogenic stressors. Pesticides appear to be the most relevant stressor for agricultural streams. Due to the current mismatch of modelled and measured pesticide concentrations, monitoring is necessary to inform risk assessment or improve future pesticide approvals. Knowing if biotic stress responses are similar across large scales and long time frames could ultimately help in estimating protective stressor thresholds. This thesis starts with an overview of entry pathways of pesticides to streams as well as the framework of current pesticide monitoring and gives an outline of the objectives of the thesis. In chapter 2, routine monitoring data based on grab sampling from several countries is analysed to identify the most frequently occurring pesticide mixtures. These mixtures are comprised of relatively low numbers of pesticides, of which herbicides are dominating. The detected pesticide mixtures differ between regions and countries, due to differences in the spectrum of analysed compounds and limits of quantification. Current routine monitoring does not include sampling during pesticide peaks associated with heavy rainfall events which likely influences the detected pesticide mixtures. In chapter 3, sampling rates of 42 organic pesticides for passive sampling are provided together with recommendations for the monitoring of field-relevant peaks. Using this information, in chapter 4 a pesticide gradient is established in an Eastern European region where agricultural intensity adjacent to sampled streams ranges from low to high. In contrast to current routine monitoring, rainfall events were sampled and a magnitude of pesticides were analysed. This led to the simultaneous detection of numerous pesticides of which one to three drive the pesticide toxicity. The toxicity, however, showed no relationship to the agricultural intensity. Using microcosms, the stress responses of fungal communities, the hyphomycetes, and the related ecosystem function of leaf decomposition, is investigated in chapter 5. Effects of a field-relevant fungicide mixture are examined across three biogeographical regions for three consecutive cycles of microbial leaf colonisation and decomposition. Despite different initial communities, stress responses as well as recoveries were similar across biogeographical regions, indicating a general pattern. Overall, this thesis contributes to an improved understanding of occurrence and concentrations of pesticides mixtures in streams, their monitoring and impact on an ecosystem function. We showed that estimated pesticide toxicities reach levels that affect non-target organisms and thereby potentially whole ecosystems. Routine monitoring, however, likely underestimates the threat by pesticides. Effects leading to a loss in biodiversity or functions in streams ecosystems can be reduced by reassessing approved pesticides with ongoing targeted monitoring and increased knowledge of effects caused by these pesticides.
  • Bäche gehören zu den gefährdetsten Ökosystemen, da sie diversen anthropogenen Stressoren ausgesetzt sind, wobei Pestizide für landwirtschaftliche Bäche am relevantesten erscheinen. Aufgrund der Diskrepanz zwischen modellierten und gemessenen Pestizid-konzentrationen ist Monitoring nötig um zukünftige Risikobewertungen und Zulassungen zu verbessern. Festzustellen ob biotische Stressreaktionen über große räumliche und zeitliche Skalen ähnlich sind, ist nötig um Schwellenwerte zum Schutz vor Stressoren abzuschätzen. Diese Doktorarbeit beginnt mit einem Überblick über Pestizideintrittspfade in Bäche, sowie dem momentanen Stand des Pestizidmonitorings gefolgt von der Zielsetzung der Doktorarbeit. In Kapitel 2 werden Ergebnisse aus Schöpfproben von Routinemonitoring mehrerer Länder analysiert um die häufigsten Pestizidmischungen zu identifizieren. Diese Mischungen werden von wenigen Pestiziden gebildet, wobei Herbizide dominieren. Die nachgewiesenen Mischungen unterscheiden sich regional, da Nachweisgrenzen und Stoffumfang variieren. Aktuelles Routinemonitoring umfasst bisher keine Probenahmen während durch Starkregenereignisse hervorgerufene Pestizidspitzen, die wahrscheinlich Pestizidmischungen beeinflussen. In Kapitel 3 werden Sammelraten für 42 Pestizide bei der Benutzung von Passiv-sammlern vorgestellt und Empfehlungen zum Monitoring von feldrelevanten Pestizidspitzen gegeben. Damit konnte in Kapitel 4 ein Pestizidgradient in einer osteuropäischen Region aufgestellt werden in der die Landwirtschaftsintensität von niedrig bis hoch reicht. Dabei wurden Regenereignisse beprobt und eine Vielzahl von Pestiziden analysiert. Dies führte zu vielen gleichzeitig nachgewiesenen Pestiziden, von denen ein bis drei die Pestizidtoxizität bestimmten. Diese zeigte jedoch keinen Zusammenhang zur landwirtschaftlichen Intensität. Durch Mikrokosmenexperimente wurde in Kapitel 5 die Stressantwort von Pilzgemeinschaften, den Hyphomyceten, und deren assoziierter Ökosystemfunktion des Laubabbaus untersucht. Effekte einer feldrelevanten Fungizidmischung wurde über drei biogeographische Regionen sowie drei aufeinanderfolgende Zyklen von mikrobieller Laubkolonisation und -abbau untersucht. Trotz anfänglich unterschiedlichen Gemeinschaften waren Stressantworten sowie Erholungen in den untersuchten Regionen ähnlich, was auf ein generelles Muster hindeutet. Insgesamt trägt diese Doktorarbeit zum verbesserten Verständnis von Vorkommen und Konzentrationen von Pestizidmischungen, deren Monitoring sowie ihren Auswirkungen auf eine Ökosystemfunktion bei. Wir konnten zeigen, dass die abgeschätzten Pestizidtoxizitäten potentiell Nichtzielorganismen und somit ganze Ökosystem beeinflussen. Routinemonitoring unterschätzt diese Gefahr bisher jedoch wahrscheinlich. Effekte, welche Verluste in Biodiversität sowie Funktionen hervorrufen, können verringert werden indem zugelassene Pestizide mit anhaltendem Monitoring neu bewertet werden und die Datenlage zu Pestizidwirkungen verbessert wird.

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Metadaten
Author:Verena C. Schreiner
URN:urn:nbn:de:kola-20805
Advisor:Ralf B. Schäfer, Mirco Bundschuh
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2020/07/07
Date of publication:2020/07/09
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2020/06/25
Release Date:2020/07/09
Tag:mixtures; pesticides; streams
GND Keyword:Pestizid; monitoring
Number of pages:XVIII, 236 Seiten
Comment:
kumulative Dissertation
Institutes:Fachbereich 7 / Institut für Umweltwissenschaften
BKL-Classification:30 Naturwissenschaften allgemein
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG