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The decline of biodiversity can be observed worldwide and its consequences are alarming. It is therefore crucial that nature must be protected and, where possible, restored. A wide variety of different project options are possible. Yet in the context of limited availability of resources, the selection of the most efficient measures is increasingly important. For this purpose, there is still a lack of information. This pertains, as outlined in the next paragraph, in particular, to information at different scales of projects.
Firstly, there is a lack of information on the concrete added value of biodiversity protection projects. Secondly, there is a lack of information on the actual impacts of such projects and on the costs and benefits associated with a project. Finally, there is a lack of information on the links between the design of a project, the associated framework conditions and the perception of specific impacts. This paper addresses this knowledge gap by providing more information on the three scales by means of three empirical studies on three different biodiversity protection projects in order to help optimize future projects.
The first study “Assessing the trade-offs in more nature-friendly mosquito control in the Upper Rhine region” examines the added value of a more nature-friendly mosquito control in the Upper Rhine Valley of Germany using a contingent valuation method. Recent studies show that the widely used biocide Bti, which is used as the main mosquito control agent in many parts of the world, has more negative effects on nature than previously expected. However, it is not yet clear whether the population supports a more nature-friendly mosquito control, as such an adaptation could potentially lead to higher nuisance. This study attempts to answer this question by assessing the willingness to pay for an adapted mosquito control strategy that reduces the use of Bti, while maintaining nuisance protection within settlements. The results show that the majority of the surveyed population attaches a high value to a more nature-friendly mosquito control and is willing to accept a higher nuisance outside of the villages.
The second study “Inner city river restoration projects: the role of project components for acceptance” examines the acceptance of a river restoration project in Rhineland-Palatinate, Germany. Despite much effort, many rivers worldwide are still in poor condition. Therefore, a rapid implementation of river restoration projects is of great importance. In this context, acceptance by society plays a fundamental role, however, the factors determining such acceptance are still poorly understood. In particular, the complex interplay between the acceptance or rejection of specific project components and the acceptance of the overall project require further exploration. This study addresses this knowledge gap by assessing the acceptance of the project, its various ecological and social components, and the perception of real and fictitious costs as well as the benefits of the components. Our findings demonstrate that while acceptance of the overall project is generally rather high, many respondents reject one or more of the project's components. Complementary social project components, like a playground, find less support than purely ecological components. Overall, our research shows that complementary components may increase or decrease acceptance of the overall project. We, furthermore, found that differences in the acceptance of the individual components depend on individual concerns, such as perceived flood risk, construction costs, expected noise and littering as well as the quality of communication, attachment to the site, and the age of the respondents.
The third study “What determines preferences for semi-natural habitats in agrarian landscapes? A choice-modelling approach across two countries using attributes characterizing vegetation” investigates people's aesthetic preferences for semi-natural habitats in agricultural landscapes. The EU-Common Agricultural Policy promotes the introduction of woody and grassy semi-natural habitats (SNH) in agricultural landscapes. While the benefits of these structures in terms of regulating ecosystem services are already well understood, the effects of SNH on visual landscape quality is still not clear. This study investigates the factors determining people’s visual preferences in the context of grassy and woody SNH elements in Swiss and Hungarian landscapes using picture-based choice experiments. The results suggest that respondents’ choices strongly depend on specific vegetation characteristics that appear and disappear over the year. In particular, flowers as a source of colours and green vegetation as well as ordered structure and the proportion of uncovered soil in the picture play an important role regarding respondents’ aesthetic perceptions of the pictures.
The three empirical studies can help to make future projects in the study areas of biodiversity protection more efficient. While this thesis highlights the importance of exploring biodiversity protection projects at different scales, further analyses of the different scales of biodiversity protection projects are needed to provide a sound basis to develop guidance on identifying the most efficient biodiversity protection projects.
Fresh water resources like rivers and reservoirs are exposed to a drastically changing world. In order to safeguard these lentic ecosystems, they need stronger protection in times of global change and population growth. In the last years, the exploitation pressure on drinking water reservoirs has increased steadily worldwide. Besides securing the demands of safe drinking water supply, international laws especially in Europe (EU Water Framework Directive) stipulate to minimize the impact of dams on downstream rivers. In this study we investigate the potential of a smart withdrawal strategy at Grosse Dhuenn Reservoir to improve the temperature and discharge regime downstream without jeopardizing drinking water production. Our aim is to improve the existing withdrawal strategy for operating the reservoir in a sustainable way in terms of water quality and quantity. First, we set-up and calibrated a 1D numerical model for Grosse Dhuenn Reservoir with the open-source community model “General Lake Model” (GLM) together with its water quality module “Aquatic Ecodynamics” library (AED2). The reservoir model reproduced water temperatures and hypolimnetic dissolved oxygen concentrations accurately over a 5 year period. Second, we extended the model source code with a selective withdrawal functionality (adaptive offtake) and added operational rules for a realistic reservoir management. Now the model is able to autonomously determine the best withdrawal height according to the temperature and flow requirements of the downstream river and the raw water quality objectives. Criteria for the determination of the withdrawal regime are selective withdrawal, development of stratification and oxygen content in the deep hypolimnion. This functionality is not available in current reservoir models, where withdrawal heights are generally provided a priori to the model and kept fixed during the simulation. Third, we ran scenario simulations identifying an improved reservoir withdrawal strategy to balance the demands for downstream river and raw water supply. Therefore we aimed at finding an optimal parallel withdrawal ratio between cold hypolimnetic water and warm epilimnetic or metalimnetic water in order to provide a pre-defined temperature in the downstream river. The reservoir model and the proposed withdrawal strategy provide a simple and efficient tool to optimize reservoir management in a multi-objective view for mastering future reservoir management challenges.
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.
The European weatherfish (Misgurnus fossilis) is a benthic freshwater fish species belonging to the family Cobitidae, that is subjected to a considerable decline in many regions across its original distribution range. Due to its cryptic behavior and low economic value, the causes of threat to weatherfish remained partly unknown and the species is rarely at the center of conservation efforts. In order to address these concerns, the overall aim of the present thesis was to provide a comprehensive approach for weatherfish conservation, including the development of stocking measures, investigations on the species autecology and the evaluation of potential threats. The first objective was to devise and implement a regional reintroduction and stock enhancement program with hatchery-reared weatherfish in Germany. Within this program (2014-2016), a total number of 168,500 juvenile weatherfish were stocked to seven water systems. Recaptures of 45 individuals at two reintroduction sites supported the conclusion that the developed stocking strategy was appropriate. In order to broaden the knowledge about weatherfish autecology and thereby refining the rearing conditions and the selection of appropriate stocking waters, the second objective was to investigate the thermal requirements of weatherfish larvae. Here, the obtained results revealed that temperatures higher than previously suggested were tolerated by larvae, whereas low temperatures within the range of likely habitat conditions increased mortality rates. As weatherfish can be frequently found in agriculturally impacted waters (e.g. ditch systems), they are assumed to have an increased probability to be exposed to chemical stress. Since the resulting risk has not yet been investigated with a focus on weatherfish, the third objective was to provide a methodical foundation for toxicity testing that additionally complies with the requirements of alternative test methods. For this purpose, the acute fish embryo toxicity test was successfully transferred to weatherfish and first results exhibited that sensitivity of weatherfish towards a tested reference substance (3,4-dichloroaniline) was highest compared to other species. On the basis of these findings, the fourth objective was to apply weatherfish embryos for multiple sediment bioassays in order to investigate teratogenic effects derived from sediment-associated contaminants. In this context, weatherfish revealed particular sensitivity to water extractable substances, indicating that sediment contamination might pose a considerable risk. Moreover, as an endangered benthic fish species with high ecological relevance for European waters that are specifically exposed to hazardous contaminants, the weatherfish might be a prospective species for an ecological risk assessment of sediment toxicity. Overall, the present thesis contributed to the conservation of weatherfish by considering a variety of aspects that interact and reinforce one another in order to achieve improvements for the species situation.
Natürliche Schädlingskontrolle und Bestäubung sind wichtige Ökosystemdienstleistungen für die Landwirtschaft. Diese können durch ökologische Landwirtschaft und naturnahe Lebensräume in der näheren oder weiteren Umgebung gefördert werden.
Das Potential naturnaher Lebensräume räuberische Fliegen(Kapitel 2 und 3)und Bienen (Kapitel 7) auf lokaler und Landschaftsebene zu fördern wurde in naturnahen Lebensräumen untersucht. Räuberische Fliegen bevorzugten verholzte Habitate und reagierten positiv auf die andschaftskomplexizität. Die Vielfalt von Bienen und die Häufigkeit von Honig- und Wildbienen in den naturnahen Lebensräumen wurde vor allem positiv von den vorhandenen Blütenressourcen beeinflusst.
Der Einfluss von ökologischer Landwirtschaft, angrenzenden naturnahen Lebensräumen und Landschaftskomplexizität auf natürliche Schädlingskontrolle (Kapitel 4) und Bestäubung (Kapitel 6) wurde in 18 Kürbisfeldern untersucht. Ökologische Landwirtschaft hatte keine starken Effekte auf die natürliche Schädlingskontrolle oder die Bestäubung von Kürbis. Die natürliche Schädlingskontrolle kann vor allem lokal durch das Blütenangebot in den angrenzenden Lebensräumen gefördert werden, weil dieses die Dichten der natürlichen Läusefeinde positiv beeinflusste und tendenziell die Läusedichte in den Kürbisfeldern reduzierte.
Kürbis ist ein beeindruckendes Beispiel für eine Schlüsselrolle von Wildbienen für den Bestäubungserfolg, weil Kürbis in Deutschland vor allem von Hummeln bestäubt wird trotz der höheren Besuchsdichten von Honigbienen. Die Bestäubung kann am besten durch Landschaftskomplexizität gefördert werden. Die Anzahl von Blütenbesuchen von Hummeln und infolgedessen auch die übertragene Pollenmenge wurden negativ von der landwirtschaftlich genutzten Fläche in der umgebenden Landschaft beeinflusst.
Der Einfluss von Läusedichten (Kapitel 8) und Bestäubung (Kapitel 5) auf den Kürbisertrag wurde ermittelt. Der Kürbisertrag wurde nicht beeinflusst von den beobachteten Läusedichten und war nicht bestäubungslimitiert bei der derzeitigen Menge an Bienenbesuchen.
Insbesondere naturnahe Lebensräume, die stetige und vielfältige Blütenressourcen bereitstellen, sind wichtig für Schädlingskontrolleure und Bestäuber. In Agrarlandschaften sollte ein ausreichender Anteil an verschiedenen Typen von naturnahen Lebensräumen erhalten und wiederhergestellt werden. Dadurch können natürliche Schädlingskontrolleure wie räuberische Fliegen, Bestäuber wie Hummeln,und die von ihnen geleistete Schädlingskontrolle und Bestäubung in Agrarlandschaften gefördert werden.
Die Organische Bodensubstanz (OBS) nimmt eine Schlüsselrolle in der Sequestrierung organischer Moleküle und damit in der Regulierung ihrer Mobilität in Böden ein. Sie besteht aus Molekülen, die durch supramolekulare Wechselwirkungen strukturiert sind und dynamisch auf Umweltfaktoren und andere Moleküle reagieren können. Der Einfluss von Sorbateigenschaften und supramolekularer Struktur der OBS und deren Dynamik auf Sorptionsprozesse an der OBS ist bisher nur begrenzt verstanden. Ein Beispiel für das dynamische Verhalten der OBS ist deren physikochemische Alterung, die zu Umstrukturierungen in der OBS-Matrix führt. Dieser liegt die Bildung von Wassermolekülbrücken (WaMB) zwischen funktionellen Gruppen einzelner Molekülsegmente zugrunde. Da die WaMB die Struktur der OBS und ihre Stabilität wesentlich beeinflussen, wird davon ausgegangen, dass diese zur Sequestrierung von organischen Molekülen in der OBS beitragen. Diese Hypothese wurde jedoch noch nicht experimentell überprüft. Bisheriges Wissen darüber, wie organische Moleküle die Eigenschaften von WaMB beeinflussen, basiert weitestgehend auf Computermodellierungen. Da unbekannt ist, wie Moleküle, die in die OBS eindringen, deren physikalische Phasen beeinflussen, bedürfen insbesondere die vermuteten Wechselwirkungen zwischen organischen Molekülen und aliphatischen kristallinen Phasen unbedingt einer experimentellen Überprüfung.
Dazu wurden in dieser Arbeit die folgenden Hypothesen experimentell getestet. 1) Analog zu kristallinen Phasen in synthetischen Polymeren können aliphatische Kristallite in der OBS nicht von organischen Molekülen durchdrungen werden. 2) Die Stabilität von WaMB wird durch die Fähigkeit, der sie umgebenden Moleküle mit Wassermolekülen zu interagieren, bestimmt. 3) WaMB können verhindern, dass organische Moleküle die OBS-Matrix verlassen und tragen dadurch zu ihrer physikalischen Immobilisierung bei. Um die Hypothesen 1 und 2 zu überprüfen, wurden Böden mit ausgewählten Chemikalien behandelt, deren Wechselwirkungspotenzial mit Parametern der Theorie der Linearen Solvatationsenergiebeziehung charakterisiert wurde. Die Eigenschaften der WaMB, wie thermische Stabilität und Mobilität der verknüpften OBS-Molekülsegmente, wurden mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DDK) charakterisiert. Struktur und thermische Eigenschaften von aliphatischen Kristalliten wurden mithilfe von 13C-NMR-Spektroskopie und DDK untersucht. Die Dotierung von Bodenproben mit dem Modellschadstoff Phenol und Messungen zur Phenoldesorption ermöglichten es, die Parameter der Desorptionskinetik mit WaMB-Eigenschaften zu verknüpfen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die WaMB-Stabilität wesentlich durch Moleküle mit H-Donor- und Akzeptoreigenschaften gesenkt wird. Die mit den WaMB einhergehende Starrheit der OBS-Matrix wurde hauptsächlich durch das McGowan-Volumen der interagierenden Moleküle beeinflusst, was auf einen großen Einfluss der Dispersionskräfte hindeutet. Die Desorption von Phenol folgte einer Kinetik erster Ordnung mit zwei Zeitkonstanten, die beide mit der WaMB-Stabilität korrelierten, was die Hypothese stützt, dass WaMB zur physikalischen Immobilisierung von Phenol beiträgt. Die aliphatischen Kristalliten unterlagen nach Kontakt mit ausgewählten Chemikalien strukturellen Änderungen, die zu einem amorpheren Zustand und zu einer Senkung des Schmelzpunkts und einer signifikanten Abnahme der Kristallinität in der OBS führten. Diese strukturellen Änderungen konnten sowohl von Molekülen mit spezifischen, als auch von solchen mit unspezifischen Wechselwirkungen verursacht werden. Dies zeigt, dass Moleküle mit einem breiten Spektrum an Wechselwirkungspotenzialen in aliphatische Kristallite eindringen und deren Struktur verändern können.
Am Beispiel von WaMB und aliphatischen Kristalliten wurde aus dieser Arbeit ersichtlich, dass organische Moleküle mit Bestandteilen der OBS interagieren und messbare Änderungen in deren Struktur und Eigenschaften verursachen können. Neben der Relevanz von aliphatischen Kristalliten für Sorptionsprozesse im Boden wurde gezeigt, dass die physikochemische Matrixalterung signifikant zur Immobilisierung von Schadstoffen in der OBS beiträgt.
Grünland in Europa wurde über die Jahrhunderte hinweg durch steigende Intensivierung der Landnutzung geprägt. Die agrarischen Veränderungen und Weiterentwicklungen formten und veränderten die Biodiversität und führten letztlich zu massivem Artenrückgang. Heutzutage ist davon auszugehen, dass die planetare Belastungsgrenze für die globale Biodiversität und insbesondere die Biodiversität von Grünland bereits erreicht wurde. Politische Entscheidungsträger und Umweltschützer suchen daher Maßnahmen, die den agrarökonomischen Zweck der Biomasseproduktion mit dem Schutz und Erhalt von Biodiversität sowie der Aufrechterhaltung von Ökosystemprozessen vereinen. In früheren Zeiten und insbesondere vor der Einführung mineralischer Stickstoffdünger war Landnutzung im Wesentlichen von den strukturellen Gegebenheiten der Landschaft abhängig. Die Entwicklung regionalspezifischer Bewirtschaftungsmaßnahmen förderte durch die Schaffung von Habitaten für speziell angepasste Arten und Artenzusammensetzungen eine hohe Diversität auf Landschaftsebene.
Staubewässerung war seit dem frühen Mittelalter bis ins 20. Jahrhundert eine europaweit verbreitete Bewirtschaftungsmaßnahme zur Ertragssteigerung. Diese Form der Bewässerung, bei der angrenzende Flüsse systematisch aufgestaut werden, um das Wasser in die Wiesen zu leiten und durch im Wasser geführte Sedimente einen Düngeeffekt hervorzurufen, war typisch für Wiesenbewirtschaftung im Flachland. Abhängig von den strukturellen Gegebenheiten wurden regionaltypische Abwandlungen der Bewässerungssysteme entwickelt und prägten somit die Flora und Fauna dieser sogenannten Wässerwiesen. Mineralische Dünger machten diese arbeitsintensive Bewirtschaftungsform weitestgehend unprofitabel, sodass diese heutzutage nur noch in wenigen Regionen reliktartig als Tradition erhalten blieb.
In den Queichwiesen nahe Landau in der Pfalz wird mit zwischenzeitlichen Unterbrechungen seit dem 15. Jahrhundert traditionelle Staubewässerung betrieben. Die vorliegende Studie nutzte die Queichwiesen als Modellregion, um sowohl Langzeit- als auch Kurzzeiteffekte der Staubewässerung auf die Biodiversität und Nährstoffverfügbarkeit zu
untersuchen. In einer umfassenden Vegetationskartierung konnten wir einen positiven Effekt der Bewässerung auf die Diversität sowohl auf lokaler als auch auf Landschaftsebeneverzeichnen. Eine höhere strukturelle Vielfalt durch die Förderung niedrigwüchsiger Arten legt zwar einen positiven Effekt auf die Diversität von Arthropoden (Orthodoptera, Carabidae, Spinnen) nahe, dieser konnte jedoch nicht gefunden werden. Nichtsdestotrotz zeigten sich die bewässerten Wiesen als ökologisch bedeutsames Habitat für Arthropodenarten feuchter Biotope. In einem kombinierten Labor- und Feldexperiment untersuchten wir die Veränderung der Nährstoffverfügbarkeit durch Bewässerung. Zwar ist heutzutage nicht mehr von einem
direkten Düngeeffekt durch im Wasser geführte Schlacken auszugehen, aber dennoch zeigte sich ein indirekter Düngeeffekt der Bewässerung durch eine kurzzeitig stark erhöhte Pflanzenverfügbarkeit von Makro- und Mikronährstoffen. Die Ausprägung dieses Nährstoffpeaks und somit die Ausnutzung des sekundären Düngeeffekts zeigte eine graduelle Abhängigkeit auf Artebene, die eine spezifische Vegetationsentwicklung durch die Bewässerung untermauern. Diese Resultate legen daher nahe, dass Staubewässerung von Wiesen eine extensive Bewirtschaftungsform ist, die Biodiversität auf verschiedenen Skalenebenen fördert und gleichzeitig den Einsatz von Düngern reduzieren kann. Die Abstimmung von Düngung und Bewässerung bedarf jedoch der lokalspezifischen Evaluation abiotischer und biotischer Gegebenheiten.
The physical-biological interactions that affect the temporal variability of benthic oxygen fluxes were investigated to gain improved understanding of the factors that control these processes. This study, for the first time is able to resolve benthic diffusive boundary layer (DBL) dynamics using the newly developed lifetime-based laser induced fluorescence (τLIF) oxygen imaging system, which enables study of the role of small-scale fluid mechanics generated by benthic organism activity, and hence a more detailed analysis of oxygen transport mechanisms across the sediment-water interface (SWI).
The net benthic oxygen flux across the sediment-water interface is controlled by sediment oxygen uptake and oxygen transport. While the oxygen transport is largely influenced by turbulence driven by large-scale flows, sediment oxygen uptake is mainly affected by oxygen production and biological- and chemical-oxygen degradation of organic matter. Both processes can be enhanced by the presence of fauna and are intimately coupled. The benthic oxygen flux can be influenced by fauna in two ways, i.e. by modulating the availability of oxygen, which enhances the sediment oxygen uptake, and by enhancing the transport of oxygen.
In-situ and a series of laboratory measurements were conducted to estimate the short- and seasonal variability of benthic fluxes including the effects of burrow ventilation activity by tube-dwelling animals using eddy correlation (EC) and τLIF oxygen imaging techniques, respectively.
The in-situ benthic oxygen fluxes showed high variability at hourly and seasonal timescales, where statistical analysis indicated that current velocity and water depth were the most significant predictors of benthic oxygen flux at the waterside, which co-varied with the discharge, temperature, and oxygen concentration. The range of variability of seasonal fluxes corresponded to the friction velocities which were driven by large-scale flows. Application of a simplified analytical model that couples the effect of hydrodynamic forcing of the diffusive boundary layer with a temperature-dependent oxygen consumption rate within the sediment showed that friction velocity and temperature cause similar variability of the steady-state benthic oxygen flux.
The application of τLIF oxygen imaging system in bioturbation experiments enabled the investigation and discovery of insights into oxygen transport mechanisms across the sediment-water interface. Distinct oxygen structures above burrow openings were revealed, these were associated with burrow ventilation. The DBL was degraded in the presence of burrow ventilation. Advective transport generated by the energetic plumes released at burrow outlets was the dominant transport driving mechanism. The contribution of diffusive flux to the total estimated decreased with increasing larval density. For a range of larvae densities, commonly observed in ponds and lakes, sediment oxygen uptake rates increased up to 2.5-fold in the presence of tube-dwelling animals, and the oxygen transport rate exceeded chironomid respiration by up to a factor of 4.
The coupled physical-biological factors affecting net benthic oxygen flux can be represented by temperature, which is a prominent factor that accounts for both oxygen transport and sediment oxygen uptake. Low oxygen transport by flow coincided with high summer temperatures, amplified by a reduction of benthic population density and pupation. It can also, however, be offset by increased ventilation activity. In contrast, low temperature coincided with high oxygen concentrations, an abundance of larvae, and higher flow is offset by less burrow ventilation activity. Investigation of the effect of hydrodynamics on oxygen transport alone suggested that the expected increase of benthic oxygen flux under global warming can be offset by a reduction in flow velocity, which could ultimately lead to increasing carbon burial rates, and in a growing importance of anaerobic mineralization pathways with increasing emission rates of methane.
This study suggests a significant contribution of biological induced benthic oxygen flux to physical transport driven by large-scale flow-fields contributing to bottom-boundary layer turbulence.
Environmental processes transforming inorganic nanoparticles: implications on aquatic invertebrates
(2020)
Engineered inorganic nanoparticles (EINPs) are produced and utilized on a large scale and will end up in surface waters. Once in surface waters, EINPs are subjected to transformations induced by environmental processes altering the particles’ fate and inherent toxicity. UV irradiation of photoactive EINPs is defined as one effect-inducing pathway, leading to the formation of reactive oxygen species (ROS), increasing EINP toxicity by exerting oxidative stress in aquatic life. Simultaneously, UV irradiation of photoactive EINP alters the toxicity of co-occurring micropollutants (e.g. pesticides) by affecting their degradation. The presence of natural organic matter (NOM) reduces the agglomeration and sedimentation of EINPs, extending the exposure of pelagic species, while delaying the exposure of benthic species living in and on the sediment, which is suggested as final sink for EINPs. However, the joint impact of NOM and UV irradiation on EINP-induced toxicity, but also EINP-induced degradation of micropollutants, and the resulting risk for aquatic biota, is poorly understood. Although potential effects of EINPs on benthic species are increasingly investigated, the importance of exposure pathways (waterborne or dietary) is unclear, along with the reciprocal pathway of EINPs, i.e. the transport back from aquatic to terrestrial ecosystems. Therefore, this thesis investigates: (i) how the presence of NOM affects the UV-induced toxicity of the model EINP titanium dioxide (nTiO2) on the pelagic organism Daphnia magna, (ii) to which extent UV irradiation of nTiO2 in the presence and absence of NOM modifies the toxicity of six selected pesticides in D. magna, (iii) potential exposure pathway dependent effects of nTiO2 and silver (nAg) EINPs on the benthic organism Gammarus fossarum, and (iv) the transport of nTiO2 and gold EINPs (nAu) via the merolimnic aquatic insect Chaetopteryx villosa back to terrestrial ecosystems. nTiO2 toxicity in D. magna increased up to 280-fold in the presence of UV light, and was mitigated by NOM up to 12-fold. Depending on the pesticide, UV irradiation of nTiO2 reduced but also enhanced pesticide toxicity, by (i) more efficient pesticide degradation, and presumably (ii) formation of toxic by-products, respectively. Likewise, NOM reduced and increased pesticide toxicity, induced by (i) protection of D. magna against locally acting ROS, and (ii) mitigation of pesticide degradation, respectively. Gammarus’ energy assimilation was significantly affected by both EINPs, however, with distinct variation in direction and pathway dependence between nTiO2 and nAg. EINP presence delayed C. villosa emergence by up to 30 days, and revealed up to 40% reduced lipid reserves, while the organisms carried substantial amounts of nAu (~1.5 ng/mg), and nTiO2 (up to 2.7 ng/mg). This thesis shows, that moving test conditions of EINPs towards a more field-relevant approach, meaningfully modifies the risk of EINPs for aquatic organisms. Thereby, more efforts need to be made to understand the relative importance of EINP exposure pathways, especially since a transferability between different types of EINPs may not be given. When considering typically applied risk assessment factors, adverse effects on aquatic systems might already be expected at currently predicted environmental EINP concentrations in the low ng-µg/L range.
Lakes and reservoirs are important sources of methane, a potent greenhouse gas. Although freshwaters cover only a small fraction of the global surface, their contribution to global methane emission is significant and this is expected to increase, as a positive feedback to climate warming and exacerbated eutrophication. Yet, global estimates of methane emission from freshwaters are often based on point measurements that are spatio-temporally biased. To better constrain the uncertainties in quantifying methane fluxes from inland waters, a closer examination of the processes transporting methane from sediment to atmosphere is necessary. Among these processes, ebullition (bubbling) is an important transport pathway and is a primary source of uncertainty in quantifying methane emissions from freshwaters. This thesis aims to improve our understanding of ebullition in freshwaters by studying the processes of methane bubble formation, storage and release in aquatic sediments. The laboratory experiments demonstrate that aquatic sediments can store up to ~20% (volumetric content) gas and the storage capacity varies with sediment properties. The methane produced is stored as gas bubbles in sediment with minimal ebullition until the storage capacity is reached. Once the sediment void spaces are created by gas bubble formation, they are stable and available for future bubble storage and transport. Controlled water level drawdown experiments showed that the amounts of gas released from the sediment scaled with the total volume of sediment gas storage and correlated linearly to the drop in hydrostatic pressure. It was hypothesized that not only the timing of ebullition is controlled by sediment gas storage, but also the spatial distribution of ebullition. A newly developed freeze corer, capable of characterizing sediment gas content under in situ environments, enabled the possibility to test the hypothesis in a large subtropical lake (Lake Kinneret, Israel). The results showed that gas content was variable both vertically and horizontally in the lake sediment. Sediment methane production rate and sediment characteristics could explain these variabilities. The spatial distribution of ebullition generally was in a good agreement with the horizontal distribution of depth-averaged (surface 1 m) sediment gas content. While discrepancies were found between sediment depth-integrated methane production and the snapshot ebullition rate, they were consistent in a long term (multiyear average). These findings provide a solid basis for the future development of a process-based ebullition model. By coupling a sediment transport model with a sediment diagenetic model, general patterns of ebullition hotspots can be predicted at a system level and the uncertainties in ebullition flux measurements can be better constrained both on long-term (months to years) and short-term (minutes to hours) scales.