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Biomanipulation in running waters

  • Cultural eutrophication due to excessive inputs of nutrients seriously threatens aquatic ecosystems worldwide and is one of the major anthropogenic stressors on aquatic biota in European rivers. In streams and shallow rivers, its effects include excessive periphyton growth, which causes biological clogging and thereby oxygen depletion in the hyporheic zone. The result is a serious degradation of habitat quality for benthic invertebrates as well as for the eggs and larvae of gravel-spawning fish. Unlike in standing waters, efficient tools for controlling eutrophication in rivers are lacking. However, top-down control of the food-web by manipulating fish stocks, similar to the biomanipulation successfully applied in lakes, offers a promising approach to mitigating the effects of eutrophication in shallow rivers, especially those in which major reductions in nutrient inputs are not feasible. The overall aim of this thesis was to assess the potential for top-down control by two large cypriniform fish, the common nase (Chondrostoma nasus), the only obligate herbivorous fish species in European rivers, and the omnivorous European chub (Squalius cephalus), to mitigate the effects of eutrophication in medium-sized rivers. I therefore conducted field experiments on different spatial and temporal scales in the hyporhithral zone of a eutrophic gravel-bed river. Generally, the results of those experiments revealed the crucial role of fish-mediated top-down effects in river food webs. In a 4-year reach-scale experiment, the key contribution of my thesis, the enhancement of fish densities significantly increased both oxygen availability and water exchange in the upper layer of the hyporheic zone, even though the top-down effects of the fish on periphyton biomass were relatively small. These findings were supported by those of a 4-week mesocosm experiment, which also provided insights into the mechanisms underlying the mitigation of eutrophication effects by nase and chub. The top-down effects of both fish species reduced hyporheic oxygen depletion, suggesting a reduction of biological clogging. The positive effects of herbivorous nase on hyporheic oxygen availability could be attributed to benthic grazing, whereas the reduction of hyporheic oxygen depletion in the presence of omnivorous chub was best explained by the enhanced bioturbation induced by the fish’s benthic foraging. Overall, the results of my thesis demonstrate that biomanipulation achieved by enhancing herbivorous and omnivorous fish stocks can mitigate the effects of eutrophication in medium-sized European rivers. The results may be the first step towards the establishment of biomanipulation as a supportive management tool for eutrophication control in running waters and therefore as a strategy to preserve aquatic biodiversity.
  • Eutrophierung infolge übermäßiger Nährstoffeinträge ist eine ernsthafte, weltweite Bedrohung für aquatische Ökosysteme und ist einer der wesentlichen anthropogenen Stressoren auf aquatische Organismen in europäischen Fließgewässern. In Bächen und kleinen bis mittelgroßen Flüssen führt Eutrophierung zu einem übermäßigen Wachstum von Periphyton und dadurch zu einem Verstopfen des hyporheischen Interstitials (biogene Kolmation). Infolgedessen kommt es zu einem Sauerstoffdefizit im Interstitial, wodurch die Habitatqualität für das Makrozoobenthos und für Eier und Larven kieslaichender Fische erheblich beeinträchtigt wird. Anders als in stehenden Gewässern fehlen effiziente Werkzeuge zur Eutrophierungssteuerung in Fließgewässern bisher. Eine Top-down Steuerung des Nahrungsnetzes durch gezielte Stützung der Fischbestände, vergleichbar mit der erfolgreich in Seen angewendeten Methode der Biomanipulation, ist ein vielversprechender Ansatz zur Reduktion von Eutrophierungseffekten in Fließgewässern – insbesondere in Einzugsgebieten, in denen die Nährstoffeinträge nicht erheblich reduziert werden können. Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial einer Top-down Steuerung zur Reduktion von Eutrophierungseffekten durch zwei großwüchsige karpfenartige Fischarten – die herbivore Nase (Chondrostoma nasus) und den omnivoren Döbel (Squalius cephalus) – in mittelgroßen Flüssen zu erfassen. Dazu habe ich Freilandexperimente auf unterschiedlich großen räumlichen und zeitlichen Skalen in einem eutrophierten Mittelgebirgsfluss durchgeführt. Generell haben die Ergebnisse dieser Experimente die zentrale Rolle von Top-down Effekten durch Fische in Fließgewässernahrungsnetzen aufgezeigt. In einem vierjährigen großskaligen Experiment, dem zentralen Teil meiner Arbeit, konnte ich zeigen, dass die Stützung der Bestände von Nase und Döbel zu einer deutlichen Verbesserung der Sauerstoffversorgung und des Wasseraustauschs im oberen Bereich des Interstitials geführt hat, und das, obwohl die Top-down Effekte der Fische auf die Periphytonbiomasse vergleichsweise gering ausgeprägt waren. Diese Ergebnisse konnten durch ein vierwöchiges Mesokosmosexperiment gestützt werden, das zugleichwertvolle Hinweise auf die zugrundeliegenden Mechanismen für die Verringerung der Eutrophierungseffekte im Interstitial durch Nase und Döbel geliefert hat. Durch hohe Dichten beider Fischarten wurde das Sauerstoffdefizit im Interstitial verringert, was wahrscheinlich auf eine Reduktion der biogenen Kolmation des Interstitials durch benthisches Grazing der Nasen bzw. durch Bioturbation der Döbel zurückzuführen war. Insgesamt zeigen die Ergebnisse meiner Arbeit, dass eine Biomanipulation durch Stützung der Bestände herbivorer und omnivorer Fische potenziell geeignet ist, um Eutrophierungseffekte in mittelgroßen Flüssen zu reduzieren. Die Ergebnisse könnten somit der erste Schritt sein, um Biomanipulation als unterstützende Maßnahme zur Verringerung von Eutrophierungseffekten in Fließgewässern zu etablieren, und damit zum Erhalt der aquatischen Biodiversität beitragen.

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Metadaten
Author:Madlen Gerke
URN:urn:nbn:de:kola-22265
Subtitle (English):The potential for top-down control by cypriniform fish in mitigating eutrophication effects in medium-sized rivers
Referee:Carola Winkelmann, Jost Borcherding, René Sahm
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2021/08/12
Date of publication:2021/08/12
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2021/07/19
Release Date:2021/08/12
Number of pages:103
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Biologie
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