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Physiological indicators of fitness in freshwater ecological studies: fundamentals and application examples

  • The implementation of physiological indicators reflecting the response of organisms to changes in their environment is assumed to provide potential benefits for ecological studies. By analysing the physiological condition of organisms in freshwater ecological studies rather than their ultimate effects, physiological indicators can contribute to a faster assessment of effects than using traditional ecological indicators, such as the evaluation of the benthic community structure or the determination of the reproductive success of organisms. This can increase the effectiveness of environmental health assessment and experimental ecology. In this respect the thesis focuses on physiological measures characterizing the energetic condition and energy consumption (the concentration of energy storage compounds, the adenylate energy charge, the energy consumption in vivo), as well as individual growth (RNA:DNA ratio) of organisms. Although these sub-individual indicators are commonly applied in marine ecology and more recently in ecotoxicology, they have been rarely applied in freshwater ecology to date. With respect to an increased use of physiological indicators in freshwater ecological studies, the objectives of the present thesis are twofold. First, it highlights the potential of assessing the individual fitness by means of physiological indicators in freshwater ecological studies. For that reason, Chapter 2 provides the basic assumptions as well as the theoretical and methodological fundamentals necessary for the application of physiological indicators within freshwater ecology and, furthermore, points out their applicability by several case studies. As second objective, the thesis addresses selected ecophysiological aspects of native and non-native freshwater amphipods, which are considered suitable candidates for the determination of physiological indicators in ecological studies due to their function as keystone species within aquatic habitats. The studies presented in Chapters 3−5 of the thesis provide information on (i) species- and sex-specific seasonal variations within the energetic condition of natural Gammarus populations (G. fossarum, G. pulex), (ii) differences in metabolic activity and behaviour between different amphipod species (G fossarum, G. roeselii and D. villosus), as well as (iii) the direct effects of ambient ammonia on the physiology and behaviour of D. villosus. The fundamental conclusions drawn from the conducted field and laboratory studies, as well as their relevance and general implications for the application of physiological indicators in freshwater ecological research are discussed in Chapter 6.
  • Die Verwendung physiologischer Indikatoren, welche die Reaktion von Organismen auf Veränderungen ihrer Umwelt widerspiegeln, bietet ein großes Potenzial für ökologische Studien. Durch die Analyse des physiologischen Zustandes von Organismen ermöglichen diese Indikatoren eine schnellere Erfassung von Veränderungen in aquatischen Ökosystemen als es durch die Betrachtung ökologischer Indikatoren, wie z. B. der Struktur der Benthosgemeinschaft oder des Reproduktionserfolges einzelner Arten, möglich ist. Dieser Zeitvorteil kann sowohl die Effektivität der Habitatbewertung als auch experimenteller Studien in der aquatischen Ökologie erhöhen. In diesem Zusammenhang konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf physiologische Messgrößen, wie die Konzentration von Energiespeicherstoffen, den zellulären Energiestatus (Adenylate Energy Charge) oder die Stoffwechselaktivität in vivo, die den energetischen Zustand oder den aktuellen Energieverbrauch von Organismen charakterisieren, sowie auf das RNA:DNA-Verhältnis als Wachstumsindikator. Obwohl diese Indikatoren in der marinen Ökologie, und in jüngerer Zeit auch in der Ökotoxikologie, regelmäßig verwendet werden, haben sie in der limnischen Ökologie bisher wenig Anwendung gefunden. Um die Anwendung physiologischer Indikatoren in diesem Bereich zu verstärken verfolgt die Dissertation zwei Ziele. Zum einen verdeutlicht sie das Potenzial der einzelnen physiologischen Indikatoren, zum anderen stellt sie Grundlagenwissen zu ausgewählten ökophysiologischen Aspekten einheimischer und gebietsfremder Arten der Ordnung Amphipoda bereit, die als Schlüsselarten aquatischer Lebensräume als besonders geeignet für die Bestimmung physiologischer Indikatoren angesehen werden. In diesem Sinne werden in Kapitel 2 sowohl die grundlegenden Annahmen, als auch die theoretischen und methodischen Grundlagen für die Bestimmung physiologischer Indikatoren aufgezeigt und ihre Anwendbarkeit in Fallstudien verdeutlicht. Die durchgeführten Experimentalstudien (Kapitel 3−5) liefern Informationen zu (i) den art- und geschlechtsspezifischen Unterschieden in der saisonalen Variation des energetischen Zustandes natürlicher Gammarus Populationen (G. fossarum, G. pulex), (ii) den Unterschieden in der Stoffwechsel- und Bewegungsaktivität verschiedener Amphipoda-Arten (G. fossarum, G. roeselii und D. villosus), sowie (iii) den direkten Auswirkungen von Ammoniak auf die Physiologie und die Bewegungsaktivität von D. villosus. In Kapitel 6 werden abschließend die grundlegenden Schlussfolgerungen aus den durchgeführten Feld- und Laborstudien, sowie ihre Relevanz und Auswirkungen für die Anwendung physiologischer Indikatoren in der limnischen Ökologie diskutiert.

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Metadaten
Author:Jochen Becker
URN:urn:nbn:de:kola-15485
Referee:Jochen H. E. Koop, Carola Winkelmann
Advisor:Jochen H. E. Koop
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2017/12/18
Date of publication:2017/12/18
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2017/09/12
Release Date:2017/12/18
Number of pages:46
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Biologie
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG