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Effects of neonicotinoid-contaminated leaves on aquatic shredders

  • Systemic neonicotinoids are one of the most widely used insecticide classes worldwide. In addition to their use in agriculture, they are increasingly applied on forest trees as a protective measure against insect pests. However, senescent leaves containing neonicotinoids might, inter alia during autumn leaf fall, enter nearby streams. There, the hydrophilic neonicotinoids may be remobilized from leaves to water resulting in waterborne exposure of aquatic non-target organisms. Despite the insensitivity of the standard test species Daphnia magna (Crustacea, Cladocera) toward neonicotinoids, a potential risk for aquatic organisms is evident as many other aquatic invertebrates (in particular insects and amphipods) display adverse effects when exposed to neonicotinoids in the ng/L- to low µg/L-range. In addition to waterborne exposure, in particular leaf-shredding invertebrates (= shredders) might be adversely affected by the introduction of neonicotinoid-contaminated leaves into the aquatic environment since they heavily rely on leaf litter as food source. However, dietary neonicotinoid exposure of aquatic shredders has hardly received any attention from researchers and is not considered during aquatic environmental risk assessment. The primary aim of this thesis is, therefore, (1) to characterize foliar neonicotinoid residues and exposure pathways relevant for aquatic shredders, (2) to investigate ecotoxicological effects of waterborne and dietary exposure on two model shredders, namely Gammarus fossarum (Crustacea, Amphipoda) and Chaetopteryx villosa (Insecta, Trichoptera), and (3) to identify biotic and abiotic factors potentially modulating exposure under field conditions. During the course of this thesis, ecotoxicologically relevant foliar residues of the neonicotinoids imidacloprid, thiacloprid and acetamiprid were quantified in black alder trees treated at field relevant levels. A worst-case model – developed to simulate imidacloprid water concentrations resulting from an input of contaminated leaves into a stream – predicted only low aqueous imidacloprid concentrations (i.e., ng/L-range). However, the model identified dietary uptake as an additional exposure pathway relevant for shredders up to a few days after the leaves’ introduction into the stream. When test organisms were simultaneously exposed (= combined exposure) to neonicotinoids leaching from leaves into the water and via the consumption of contaminated leaves, adverse effects exceeded those observed under waterborne exposure alone. When exposure pathways were separated using a flow-through system, dietary exposure towards thiacloprid-contaminated leaves caused similar sublethal adverse effects in G. fossarum as observed under waterborne exposure. Moreover, the effect sizes observed under combined exposure were largely predictable using the reference model “independent action”, which assumes different molecular target sites to be affected. Dietary toxicity for shredders might, however, be reduced under field conditions since UV-induced photodegradation and leaching decreased imidacloprid residues in leaves and thereby the toxicity for G. fossarum. In contrast, both shredders were found unable to actively avoid dietary exposure. This thesis thus recommends considering dietary exposure towards systemic insecticides, such as neonicotinoids, already during their registration to safeguard aquatic shredders, associated ecosystem functions (e.g., leaf litter breakdown) and ultimately ecosystem integrity.
  • Systemische Neonicotinoide gehören zu den weltweit meist genutzten Insektiziden. Neben ihrer Anwendung in der Landwirtschaft werden sie zunehmend zur Bekämpfung von Baumschädlingen in der Forstwirtschaft eingesetzt. Die im Herbst von Laubbäumen fallenden Blätter können allerdings immer noch Neonicotinoide enthalten. Gelangen diese kontaminierten Blätter schließlich in nahegelegene Bäche werden die wasserlöslichen Neonicotinoide wieder mobilisiert und somit potenziell aquatische Nicht-Zielorganismen über die Wasserphase exponiert. Obwohl der Standardtestorganismus Daphnia magna (Crustacea; Cladocera) relativ unempfindlich gegenüber Neonicotinoiden ist, sind viele andere aquatische Invertebraten bereits bei einer Exposition im ng/L- bis niedrigem μg/L-Bereich negativ beeinträchtigt. Besonders laubzersetzende Invertebraten (= Shredder) könnten, zusätzlich zu einer Exposition über die Wasserphase, durch den Eintrag von Neonicotinoid-kontaminiertem Laub in ein Fließgewässer negativ beeinträchtigt werden, da Laub für sie eine essentielle Nahrungsquelle darstellt. Jedoch erhielt dieser Expositionspfad im Zusammenhang mit aquatischen Shreddern und Neonicotinoid-kontaminiertem Pflanzenmaterial bisher kaum Aufmerksamkeit seitens der Forschung und findet keine Berücksichtigung in der aquatischen Umweltrisikobewertung. Das Hauptziel dieser Arbeit war daher (1) Neonicotinoidrückstände in Blättern zu quantifizieren sowie für Shredder relevante Expositionswege zu identifizieren, (2) ökotoxikologische Effekte einer Exposition über die Wasserphase sowie über die Nahrung für zwei Modell-Shredder Gammarus fossarum (Amphipoda) und Chaetopteryx villosa (Insecta) zu untersuchen, und schließlich (3) biotische und abiotische Faktoren zu betrachten, welche eine Exposition unter Feldbedingungen potenziell beeinträchtigen könnten. Im Rahmen dieser Arbeit konnten Rückstände der Neonicotinoide Imidacloprid, Thiacloprid und Acetamiprid in Blätter behandelter Schwarzerlen quantifiziert werden. Ein entwickeltes „Worst-Case Modell“ prognostizierte niedrige Imidaclopridwasserkonzentrationen für einen Bach in welchen Imidacloprid-kontaminierte Blätter eingetragen werden. Jedoch konnte mit Hilfe des Modells die Aufnahme über die Nahrung als ein für aquatische Shredder relevanter Expositionspfad identifiziert werden. Der Konsum von Neonicotinoid-kontaminierten Blättern führte, bei gleichzeitiger Exposition über die Wasserphase (= kombinierte Exposition), in beiden Testorganismen zu stärkeren Effekten als die alleinige Exposition über die Wasserphase. Des Weiteren gelang es in einem weiteren Laborexperiment die beiden Expositionswege mittels einer Durchflussanlage zu separieren. Hierbei führte die separate Exposition von G. fossarum sowohl über die Nahrung (= Konsum von Thiaclopridkontaminierten Blättern) als auch über die Wasserphase zu vergleichbaren Effektgrößen. Zudem ließen sich die unter einer kombinierten Exposition beobachteten Effektgrößen weitestgehend mit dem Referenzmodell der „Unabhängigen Wirkung“ vorhersagen, was eine Wirkung auf unterschiedliche molekulare Zielorte vermuten lässt. Die durch Imidacloprid ausgelöste toxischen Effekte auf G. fossarum konnten schließlich durch eine Behandlung der Blätter mit UV-Strahlung (repräsentativ für Sonnenlicht) sowie durch Leaching in Wasser reduziert werden. Jedoch waren beide Shredder-Spezies nicht dazu in der Lage aktiv eine Aufnahme von Neonicotinoiden über die Nahrung zu vermeiden. Daher geht aus dieser Arbeit die Empfehlung hervor, bereits während der Registrierung von systemischen Pestiziden, auf nahrungsbedingte Effekte zu testen und dadurch aquatische Shredder als auch assoziierte Ökosystemfunktionen (z.B. Laubabbau) zu schützen.

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Metadaten
Author:Dominic Englert
URN:urn:nbn:de:kola-16701
Title Additional (German):Auswirkungen von Neonicotinoid-kontaminierten Blättern auf aquatische Shredder
Referee:Mirco Bundschuh, Ralf Schulz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2018/07/06
Date of publication:2018/07/10
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2018/06/15
Release Date:2018/07/10
Number of pages:IV, 164 Seiten
Institutes:Fachbereich 7 / Institut für Umweltwissenschaften
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