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Statistical eco(-toxico)logy
(2017)
Freshwaters are of immense importance for human well-being.
Nevertheless, they are currently facing unprecedented levels of threat from habitat loss and degradation, overexploitation, invasive species and
pollution.
To prevent risks to aquatic ecosystems, chemical substances, like agricultural pesticides, have to pass environmental risk assessment (ERA) before entering the market.
Concurrently, large-scale environmental monitoring is used for surveillance of biological and chemical conditions in freshwaters.
This thesis examines statistical methods currently used in ERA.
Moreover, it presents a national-scale compilation of chemical monitoring data, an analysis of drivers and dynamics of chemical pollution in streams and, provides a large-scale risk assessment by combination with results from ERA.
Additionally, software tools have been developed to integrate different datasets used in ERA.
The thesis starts with a brief introduction to ERA and environmental monitoring and gives an overview of the objectives of the thesis.
Chapter 2 addresses experimental setups and their statistical analyses using simulations.
The results show that current designs exhibit unacceptably low statistical power, that statistical methods chosen to fit the type of data provide higher power and that statistical practices in ERA need to be revised.
In chapter 3 we compiled all available pesticide monitoring data from Germany.
Hereby, we focused on small streams, similar to those considered in ERA and used threshold concentrations derived during ERA for a large-scale assessment of threats to freshwaters from pesticides.
This compilation resulted in the most comprehensive dataset on pesticide exposure currently available for Germany.
Using state-of-the-art statistical techniques, that explicitly take the limits of quantification into account, we demonstrate that 25% of small streams are at threat from pesticides.
In particular neonicotinoid pesticides are responsible for these threats.
These are associated with agricultural intensity and can be detected even at low levels of agricultural use.
Moreover, our results indicated that current monitoring underestimates pesticide risks, because of a sampling decoupled from precipitation events.
Additionally, we provide a first large-scale study of annual pesticide exposure dynamics.
Chapters 4 and 5 describe software solutions to simplify and accelerate the integration of data from ERA, environmental monitoring and ecotoxicology that is indispensable for the development of landscape-level risk assessment.
Overall, this thesis contributes to the emerging discipline of statistical ecotoxicology and shows that pesticides pose a large-scale threat to small streams.
Environmental monitoring can provide a post-authorisation feedback to ERA.
However, to protect freshwater ecosystems ERA and environmental monitoring need to be further refined and we provide software solutions to utilise existing data for this purpose.
The global problematic issue of the olive oil industry is in its generation of large amounts of olive mill wastewater (OMW). The direct discharge of OMW to the soil is very common which presents environmental problems for olive oil producing countries. Both, positive as well as negative effects on soil have been found in earlier studies. Therefore, the current study hypothesized that whether beneficial effects or negative effects dominate depends on the prevailing conditions before and after OMW discharge to soil. As such, a better understanding of the OMW-soil interaction mechanisms becomes essential for sustainable safe disposal of OMW on soil and sustainable soil quality.
A field experiment was carried out in an olive orchard in Palestine, over a period of 24 months, in which the OMW was applied to the soil as a single application of 14 L m-2 under four different environmental conditions: in winter (WI), spring (SP), and summer with and without irrigation (SUmoist and SUdry). The current study investigated the effects of seasonal conditions on the olive mill wastewater (OMW) soil interaction in the short-term and the long-term. The degree and persistence of soil salinization, acidification, accumulation of phenolic compounds and soil water repellency were investigated as a function of soil depth and time elapsed after the OMW application. Moreover, the OMW impacts on soil organic matter SOM quality and quantity, total organic carbon (SOC), water-extractable soil organic carbon (DOC), as well as specific ultraviolet absorbance analysis (SUVA254) were also investigated for each seasonal application in order to assess the degree of OMW-OM decomposition or accumulation in soil, and therefore, the persisting effects of OMW disposal to soil.
The results of the current study demonstrate that the degree and persistence of relevant effects due to OMW application on soil varied significantly between the different seasonal OMW applications both in the short-term and the long-term. The negative effects of the potentially hazardous OMW residuals in the soil were highly dependent on the dominant transport mechanisms and transformation mechanisms, triggered by the ambient soil moisture and temperature which either intensified or diminished negative effects of OMW in the soil during and after the application season. The negative effects of OMW disposal to the soil decreased by increasing the retention time of OMW in soil under conditions favoring biological activity. The moderate conditions of soil moisture and temperature allowed for a considerable amount of applied OMW to be biologically degraded, while the prolonged application time under dry conditions and high temperature resulted in a less degradable organic fraction of the OMW, causing the OMW constituents to accumulate and polymerize without being degraded. Further, the rainfall during winter season diminished negative effects of OMW in the soil; therefore, the risk of groundwater contamination by non-degraded constituents of OMW can be highly probable during the winter season.
Agricultural pesticides, especially insecticides, are an integral part of modern farming. However, these may often leave their target ecosystems and cause adverse effects in non- target, especially freshwater ecosystems, leading to their deterioration. In this thesis, the focus will be on Insect Growth Regulators (IGRs) that can in many ways cause disruption of the endocrine system of invertebrates. Freshwater invertebrates play important ecological, economic and medical roles, and disruption of their endocrine systems may be crucial, considering the important role hormones play in the developmental and reproductive processes in organisms. Although Endocrine Disruption Chemicals (EDCs) can affect moulting, behaviour, morphology, sexual maturity, time to first brood, egg development time, brood size (fecundity), and sex determination in invertebrates, there is currently no agreement upon how to characterize and assess endocrine disruption (ED). Current traditional ecotoxicity tests for Ecological Risk Assessment (ERA) show limitations on generating data at the population level that may be relevant for the assessment of EDCs, which effects may be sublethal, latent and persist for several generations of species (transgenerational).
It is therefore the primary objective of this thesis to use a test method to investigate adverse effects of EDCs on endpoints concerning development and reproduction in freshwater invertebrates. The full life-cycle test over two generations that includes all sensitive life stages of C. riparius (a sexual reproductive organism) allows an assessment of its reproduction and should be suitable for the investigation of long-term toxicity of EDCs in freshwater invertebrates. C. riparius is appropriate for this purpose because of its short life cycle that enables the assessment of functional endpoints of the organism over several generations. Moreover, the chironomid life cycle consists of a complete metamorphosis controlled by a well-known endocrine mechanism and the endocrine system of insects has been most investigated in great detail among invertebrates. Hence, the full life-cycle test with C. riparius provides an approach to assess functional endpoints (e.g. reproduction, sex ratio) that are population-relevant as a useful amendment to the ERA of EDCs. In the laboratory, C. riparius was exposed to environmentally-relevant concentrations of the selected IGRs in either spiked water or spiked sediment scenario over two subsequent generations.
The results reported in this thesis revealed significant effects of the IGRs on the development and the reproduction of C. riparius with the second (F1) generation showing greater sensitivity. These findings indicated for the first time the suitability of multigenerational testing for various groups of EDCs and strongly suggested considering the full life-cycle of C. riparius as an appropriate test method for a better assessment of EDCs in the freshwater environment. In conclusion, this thesis helps to detect additional information that can be extrapolated at population level and, thus, might contribute to better protection of freshwater ecosystems against the risks of Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs.) It may furthermore contribute to changes in the ERA process that are necessary for a real implementation of the new European chemical legislation, REACH (Registration, Evaluation Authorization and Restriction of Chemicals). Finally, significant interactions between temperature, chemical exposure and generation were reported for the first time and, may help predict impacts that may occur in the future, in the field, under predicted climate change scenarios.
Genetische Populationsstruktur europäischer Hyalodaphnia-Arten: Monopolisierung versus Genfluss
(2012)
Die genetische Populationsstruktur von Arten wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, z.B. vom Reproduktionsmodus. Ein spezieller Reproduktionsmodus ist die zyklische Parthenogenese, eine Abwechslung von Phasen asexueller und sexueller Reproduktion. Die klonale Diversität von zyklisch parthenogenetischen Zooplanktonorganismen wird durch die Größe der Dauerstadienbank im Sediment beeinflusst, d.h. durch die Anzahl der sexuell produzierten Dauereier die sich im Sediment akkumulieren. Weiterhin verringert klonale Erosion, ausgelöst durch stochastische und selektive Prozesse, die Diversität über die Zeit. Da zyklisch parthenogenetische Zooplanktonorganismen neue Habitate effektiv monopolisieren können, wurden die Auswirkungen von Genfluss als vernachlässigbar angenommen. Unter Monopolisierung wird die schnelle Vergrößerung der Population verstanden, was zu einem Vorteil für die ersten Ankömmlinge führt (priority-Effekt). Durch lokale Anpassung und das Aufbauen einer Dauerstadienbank wird Genfluss effektiv entgegen gewirkt, da später ankommende Genotypen sich nicht in der Population etablieren können. Das Ziel dieser Arbeit war die Evaluierung der Prozesse, die die populationsgenetische Struktur von zyklisch parthenogenetischen Zooplanktonorganismen beeinflussen, mit besonderem Fokus auf Monopolisierung und Genfluss. Als Organismen wurden Seenarten der Gattung Daphnia eingesetzt, für die zunächst 32 variable Mikrosatellitenmarker entwickelt wurden. Ein ausgewähltes Marker-Set von zwölf Mikrosatellitenmarkern wurde zusätzlich für die Art- und Hybriddetektion getestet. Mit diesem Marker-Set und einem zusätzlichen mitochondrialen DNA-Marker wurden Proben aus 44 europäischen Gewässern untersucht, die die Arten D. cucullata, D. galeata und D. longispina enthielten. Bei D. galeata sind viele Populationen durch eine geringe klonale Diversität charakterisiert, was darauf hindeutet, dass die Dauerstadienbank nur wenig zur klonalen Diversität beiträgt, wodurch die Effekte der klonalen Erosion sehr schnell detektiert werden. Die genetischen Muster zeigen weiterhin auf, dass rezente Expansion stattgefunden hat, die wahrscheinlich durch die anthropogene Veränderung limnischer Ökosysteme hervorgerufen und begünstigt wurde, wobei hier vor allem die Eutrophierung vieler europäischer Seen im Vordergrund steht. Bei D. longispina und D. cucullata wurde eine von D. galeata stark abweichende Populationsstruktur detektiert. Hohe genetische Differenzierung zwischen Populationen spricht für geringen Genfluss was im Einklang mit den Annahmen von Monopolisierung ist.
Weiterhin ist die klonale Diversität vieler Populationen sehr hoch und deutet somit einen großen Einfluss der Dauerstadienbank an, weshalb die Effekte der klonalen Erosion nicht oder nur gering detektiert wurden. Bei der Analyse der mitochondrialen DNA von D. longispina wurde ein Anstieg der Populationsgröße nach der letzten Eiszeit ermittelt, da die Entstehung vieler Gletscherseen, die ein ideales Habitat für D. longispina darstellen, zu einer Expansion dieser Art führte. Nicht nur die klonale Diversität der D. longispina-Populationen war hoch, sondern die genetische Diversität im Allgemeinen. Dies zeigt auf, dass während der Entstehung dieser Populationen Genfluss hoch gewesen sein muss. Um die Prozesse, die während der frühen Entwicklungsphase einer Population herrschen, besser beurteilen zu können, wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, die den zeitlichen Vorteil von ankommenden Genotypen auf den Etablierungserfolg dieser Genotypen untersucht.
Es zeigte sich, dass früh ankommende Genotypen einen Vorteil in der Population haben. Bei ähnlicher Fitness war dieser Vorteil langfristig, aber Genotypen mit einer höheren Fitness dominierten die Population auf lange Sicht, unabhängig vom zeitlichen Vorteil den die einzelnen Genotypen zuvor hatten.rnZusammenfassend, die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass zusätzlich zu den bisher untersuchten Prozessen (lokale Anpassung, klonale Erosion und die Größe der Dauerstadienbank) auch Genfluss die Populationsstruktur zyklisch parthenogenetischer Zooplanktonorganismen effektiv beeinflussen kann. Zum Einen, während der Entstehung von Population können mehrere Genotypen zum Aufbau beitragen. Zum Anderen, bei starken Veränderungen der Umweltfaktoren kann Genfluss stark auf die Populationsstruktur wirken.
Flowering habitats to enhance biodiversity and pest control services in agricultural landscapes
(2015)
Die wachsende Nachfrage nach landwirtschaftlichen Produkten benötigt Bewirtschaftungslösungen, die die Lebensmittelproduktion unter minimaler Beeinträchtigung der Umwelt steigern. Durch den übermässigen Einsatz künstlicher Hilfsstoffe und die Landschaftsvereinfachung gefährdet die konventionelle landwirtschaftliche Intensivierung die Biodiversität und die damit verknüpften Ökosystemleistungen im landwirtschaftlichen Raum.
Agrarumweltmassnahmen (AES) werden häufig eingesetzt, um die negativen Auswirkungen konventioneller Intensivierung auf die Biodiversität zu mildern. Ihr bisher nur moderater Erfolg könnte jedoch von expliziteren Zielen bezüglich Ökosystemleistungen profitieren. Das Bereitstellen von Schlüsselressourcen für Nützlinge dürfte deren Häufigkeit, Fitness und Diversität, sowie die durch sie bereitgestellten Ökosystemleistungen begünstigen. Durch gezieltes Lebensraummanagement könnten AES sowohl die Biodiversität als auch die landwirtschaftliche Produktion fördern und so zu einer ökologischen Intensivierung beitragen.
Wir zeigen, dass gesäte mehrjährige Wildblumenstreifen, wie sie gegenwärtig in AES mit Fokus auf Biodiversitätsförderung umgesetzt werden, auch die biologische Kontrolle in benachbarten Kulturen fördern (Kapitel 2). Der Vergleich von Winterweizenfeldern mit angrenzendem Wildblumenstreifen, mit Feldern ohne Wildblumenstreifen, zeigte stark reduzierte Getreidehähnchendichten (Oulema sp.) und Pflanzenschaden nahe Wildblumenstreifen, sowie ein um 10 % gesteigerter Ertrag. Dies bestätigt Annahmen, wonach, für ihre positiven Auswirkungen auf die Biodiversität bekannte Wildblumenstreifen, auch Ökosystemleistung-en, wie biologische Schädlingskontrolle fördern können. Die positive Korrelation des Ertrags mit Blütenabundanz und –diversität weist auf Blütenressourcen als Schlüsselfaktor hin.
Um gesäte Blühstreifen für die verstärkte Bereitstellung von Ökosystemleistungen zu verbessern, benötigt es ein mechanistisches Verständnis davon, wie Organismen von Blütenressourcen profitieren. In Klimakabinenversuchen, die den Einfluss von einzelnen und mehreren blühenden Pflanzenarten auf Fitnesskomponenten von drei grundlegenden natürlichen Feind-Arthropoden von Blattläusen untersuchten, zeigen wir, dass natürliche Feinde unterschiedlich von den angebotenen Ressourcen profitieren (Kapitel 3).
Einige Blühpflanzenarten waren dabei im Allgemeinen wertvoller für natürliche Feinde als andere. Die Mischung aller Blütenpflanzen war zudem generell besser als Monokulturen, jedoch nicht besser als die jeweils beste Art in der Mischung (kein „transgressive overyielding“). Durch gezieltes Massschneidern von Blühstreifen auf die Bedürfnisse von wichtigen natürlichen Feinden von Kulturschädlingen, versuchten wir, die durch natürliche Feinde vermittelte biologische Schädlingskontrolle in Winterweizen (Kapitel 4) und Kartoffelkulturen (Kapitel 5) zu maximieren.
Unter Berücksichtigung der vielseitigen Ansprüchen von diversen natürlichen Feinden - aber nicht Schädlingen - bezüglich zeitlicher und räumlicher Bereitstellung von floralen, extrafloralen und strukturellen Ressourcen, konzipierten wir einjährige Nützlingsblühstreifen, die durch Einbau in die Kulturfolge wichtige Arthropoden an Ort und Zeit unterstützen, an denen sie benötigt werden. Tatsächlich zeigten Feldexperimente, dass Getreidehähnchen und Pflanzenschaden in Winterweizen um 40 % bis 61 % gesenkt werden können und Blattläuse in Kartoffelkulturen sogar um 77 %, wenn ein Nützlingsblühstreifen ins Feld gesät wurde. Diese Effekte waren nicht auf die Nähe zum Blühstreifen beschränkt und verhinderten oft, dass im Vergleich zu Feldern ohne Blühstreifen die Schadschwelle erreicht wurde. Dies zeigt, dass Nützlingsblühstreifen Insektizide ersetzen könnten. Alle adulten natürlichen Feinde waren innerhalb der Nützlingsblühstreifen zahlreicher als innerhalb von Kontrollstreifen. Der Überlauf (spillover) von Nützlingen ins Feld war jedoch auf wichtige natürliche Feinde, wie Laufkäfer (Winterweizen), Schwebfliegen (Kartoffeln) und Florfliegen (Win-terweizen und Kartoffeln) beschränkt, was deren dominante Rolle für die biologische Schäd-lingskontrolle nahelegt. In Kartoffeln erhöhten Nützlingsblühstreifen auch die Artenzahl Schwebfliegen in Streifen und Feld, was einen zusätzlichen Nutzen für die Diversität heraushebt.
Die vorliegenden Resultate liefern Einblicke in die Mechanismen, die der biologischen Schädlingskontrolle durch Nützlingsförderung (conservation biological control) unterliegen und heben das Potential von massgeschneidertem Lebensraum-Management für eine ökologische Intensivierung hervor.
The European landscape is dominated by intensive agriculture which leads to widespread impact on the environment. The frequent use of agricultural pesticides is one of the major causes of an ongoing decline in flower-visiting insects (FVIs). The conservation of this ecologically diverse assemblage of mobile, flying insect species is required by international and European policy. To counteract the decrease in species numbers and their abundances, FVIs need to be protected from anthropogenic stressors. European pesticide risk assessment was devised to prevent unacceptable adverse consequences of pesticide use on FVIs. However, there is an ongoing discussion by scientists and policy-makers if the current risk assessment actually provides adequate protection for FVI species.
The first main objective of this thesis was to investigate pesticide impact on FVI species. The scientific literature was reviewed to identify groups of FVIs, summarize their ecology, and determine their habitat. This was followed by a synthesis of studies about the exposure of FVIs in their habitat and subsequent effects. In addition, the acute sensitivity of one FVI group, bee species, to pesticides was studied in laboratory experiments.
The second main objective was to evaluate the European risk assessment for possible deficits and propose improvements to the current framework. Regulatory documents were screened to assess the adequacy of the guidance in place in light of the scientific evidence. The suitability of the honey bee Apis mellifera as the currently only regulatory surrogate species for FVIs was discussed in detail.
The available scientific data show that there are far more groups of FVIs than the usually mentioned bees and butterflies. FVIs include many groups of ecologically different species that live in the entire agricultural landscape. Their habitats in crops and adjacent semi-natural areas can be contaminated by pesticides through multiple pathways. Environmentally realistic exposure of these habitats can lead to severe effects on FVI population parameters. The laboratory studies of acute sensitivity in bee species showed that pesticide effects on FVIs can vary greatly between species and pesticides.
The follow-up critical evaluation of the European FVI risk assessment revealed major shortcomings in exposure and effect assessment. The honey bee proved to be a sufficient surrogate for bee species in lower tier risk assessment. Additional test species may be chosen for higher tier risk assessment to account for ecological differences. This thesis shows that the ecology of FVIs should generally be considered to a greater extent to improve the regulatory process. Data-driven computational approaches could be used as alternative methods to incorporate ecological trait data in spatio-temporal scenarios. Many open questions need to be answered by further research to better understand FVI species and promote necessary changes to risk assessment. In general, other FVI groups than bees need to be investigated. Furthermore, comprehensive data on FVI groups and their ecology need to be collected. Contamination of FVI habitat needs to be linked to exposure of FVI individuals and ecologically complex effects on FVI populations should receive increased attention. In the long term, European FVI risk assessment would benefit from shifting its general principles towards more scientifically informed regulatory decisions. This would require a paradigm shift from arbitrary assumptions and unnecessarily complicated schemes to a substantiated holistic framework.
World’s ecosystems are under great pressure satisfying anthropogenic demands, with freshwaters being of central importance. The Millennium Ecosystem Assessment has identified anthropogenic land use and associated stressors as main drivers in jeopardizing stream ecosystem functions and the
biodiversity supported by freshwaters. Adverse effects on the biodiversity of freshwater organisms, such as macroinvertebrates, may propagate to fundamental ecosystem functions, such as organic matter breakdown (OMB) with potentially severe consequences for ecosystem services. In order to adequately protect and preserve freshwater ecosystems, investigations regarding potential and observed as well as direct and indirect effects of anthropogenic land use and associated stressors (e.g. nutrients, pesticides or heavy metals) on ecosystem functioning and stream biodiversity are needed. While greater species diversity most likely benefits ecosystem functions, the direction and magnitude of changes in ecosystem functioning depends primarily on species functional traits. In this context, the functional diversity of stream organisms has been suggested to be a more suitable predictor of changes in ecosystem functions than taxonomic diversity.
The thesis aims at investigating effects of anthropogenic land use on (i) three ecosystem functions by anthropogenic toxicants to identify effect thresholds (chapter 2), (ii) the organic matter breakdown by three land use categories to identify effects on the functional level (chapter 3) and (iii)on the stream community along an established land-use gradient to identify effects on the community level.
In chapter 2, I reviewed the literature regarding pesticide and heavy metal effects on OMB, primary production and community respiration. From each reviewed study that met inclusion criteria, the toxicant concentration resulting in a reduction of at least 20% in an ecosystem function was standardized based on laboratory toxicity data. Effect thresholds were based on the relationship between ecosystem functions and standardized concentration-effect relationships. The analysis revealed that more than one third of pesticide observations indicated reductions in ecosystem functions at concentrations that are assumed being protective in regulation. However, high variation within and between studies hampered the derivation of a concentration-effect relationship and thus effect thresholds.
In chapter 3, I conducted a field study to determine the microbial and invertebrate-mediated OMB by deploying fine and coarse mesh leaf bags in streams with forested, agricultural, vinicultural
and urban riparian land use. Additionally, physicochemical, geographical and habitat parameters were monitored to explain potential differences in OMB among land use types and sites. Regarding results, only microbial OMB differed between land use types. The microbial OMB showed a negative relationship with pH while the invertebrate-mediated OMB was positively related to tree cover. OMB responded to stressor gradients rather than directly to land use.
In chapter 4, macroinvertebrates were sampled in concert with leaf bag deployment and after species identification (i) the taxonomic diversity in terms of Simpson diversity and total taxonomic
richness (TTR) and (ii) the functional diversity in terms of bio-ecological traits and Rao’s quadratic entropy was determined for each community. Additionally, a land-use gradient was established and the response of the taxonomic and functional diversity of invertebrate communities along this gradient was investigated to examine whether these two metrics of biodiversity are predictive for the rate of OMB. Neither bio-ecological traits nor the functional diversity showed a significant relationship with
OMB. Although, TTR decreased with increasing anthropogenic stress and also the community structure and 26 % of bio-ecological traits were significantly related to the stress gradient, any of these shifts propagated to OMB.
Our results show that the complexity of real-world situations in freshwater ecosystems impedes the effect assessment of chemicals and land use for functional endpoints, and consequently our potential to predict changes. We conclude that current safety factors used in chemical risk assessment may not be sufficient for pesticides to protect functional endpoints. Furthermore, simplifying real-world stressor gradients into few land use categories was unsuitable to predict and quantify losses in OMB. Thus, the monitoring of specific stressors may be more relevant than crude land use categories to detect effects on ecosystem functions. This may, however, limit the large scale assessment of the status of OMB. Finally, despite several functional changes in the communities the functional diversity over several trait modalities remained similar. Neither taxonomic nor functional diversity were suitable predictors of OMB. Thus, when understanding anthropogenic impacts on the linkage between biodiversity and ecosystem functioning is of main interest, focusing on diversity metrics that are clearly linked to the stressor in question (Jackson et al. 2016) or integrating taxonomic and functional metrics (Mondy et al., 2012) might enhance our predictive capacity.
Pelagic oxyclines, the transition zone between oxygen rich surface waters and oxygen depleted deep waters, are a common characteristic of eutrophic lakes during summer stratification. They can have tremendous effects on the biodiversity and the ecosystem functioning of lakes and, to add insult to injury, are expected to become more frequent and more pronounced as climate warming progresses. On these grounds, this thesis endeavors to advance the understanding of formation, persistence, and consequences of pelagic oxyclines: We test, whether the formation of metalimnetic oxygen minima is intrinsically tied to a locally enhanced oxygen consuming process, investigate the relative importance of vertical physical oxygen transport and biochemical oxygen consumption for the persistence of pelagic oxyclines, and finally assess their potential consequences for whole lake cycling. To pursue these objectives, the present thesis nearly exclusively resorts to in situ measurements. Field campaigns were conducted at three lakes in Germany featuring different types of oxyclines and resolved either a short (hours to days) or a long (weeks to months) time scale. Measurements comprised temperature, current velocity, and concentrations of oxygen and reduced substances in high temporal and vertical resolution. Additionally, vertical transport was estimated by applying the eddy correlation technique within the pelagic region for the first time. The thesis revealed, that the formation of metalimnetic oxygen minima does not necessarily depend on locally enhanced oxygen depletion, but can solely result from gradients and curvatures of oxygen concentration and depletion and their relative position to each other. Physical oxygen transport was found to be relevant for oxycline persistence when it considerably postponed anoxia on a long time scale. However, its influence on oxygen dynamics was minor on short time scales, although mixing and transport were highly variable. Biochemical consumption always dominated the fate of oxygen in pelagic oxyclines. It was primarily determined by the oxidative breakdown of organic matter originating from the epilimnion, whereas in meromictic lakes, the oxidation of reduced substances dominated. Beyond that, the results of the thesis emphasize that pelagic oxyclines can be a hotspot of mineralization and, hence, short-circuit carbon and nutrient cycling in the upper part of the water column. Overall, the present thesis highlights the importance of considering physical transport as well as biochemical cycling in future studies.
In einem Großteil der Welt wird Grundwasser für die Versorgung von Siedlungen und Agrarflächen genutzt. Organismen, die im Grundwasser leben, erfüllen wichtige Funktionen im Ökosystem und haben positiven Einfluss auf die Grundwasserqualität. Um das Risiko negativer Effekte auf diese wertvollen Ökosysteme zu minimieren muss die entsprechende Sanierungsmethode, im Falle einer Grundwasserbehandlung, mit Vorsicht gewählt werden. In der vorliegenden Thesis wurde das Umweltrisiko von Carbo-Iron untersucht, ein Komposit aus nanoskaligem null-valentem Eisen und Aktivkohle zur in situ-Behandlung von Grundwasser. Des Weiteren wurde eine umfassende Beurteilung des Umweltrisikos und des Nutzens einer Grundwasserbehandlung mit Carbo-Iron durchgeführt.
Zu Beginn der Arbeit an der vorliegenden Thesis existierten noch keine Empfehlungen für Untersuchung der Ökotoxizität von Nanomaterialien. Daher bestanden viele Unsicherheiten hinsichtlich geeigneter Methoden. Im Rahmen dieser Thesis wurde eine Entscheidungshilfe entwickelt, um bei der ökotoxikologischen Untersuchung von Nanomaterialien systematisch geeignete methodische Schritte auszuwählen.
Mögliche Effekte von Carbo-Iron wurden in Tests mit embryonalen, juvenilen und adulten Lebensstadien des Zebrabärblings (Danio rerio) und juvenilen und adulten Amphipoden (Hyalella azteca) untersucht. Die gewählten Testsysteme basierten auf existierenden Testmethoden der OECD und EPA zur ökotoxikologischen Untersuchung von Chemikalien (OECD, 1992a, 2013a, 2013b; US EPA, 2000). Zusätzlich wurde die Aufnahme der Partikel in die genannten Testorganismen untersucht. In Zebrabärblingsembryonen wurden außerdem potentielle Effekte auf die Genexpression mittels Microarrays ermittelt. Die erhaltenen Daten wurden später mit Ergebnissen aus Tests mit dem Wasserfloh Daphnia magna, der Alge Scenedesmus vacuolatus, Larven der Mücke Chironomus riparius und nitrifizierenden Bodenmikroorganismen ergänzt.
In dem Fischembryotoxizitätstest wurde keine Passage der Carbo-Iron-Partikel durch das Chorion in den perivitellinen Raum oder den Embryo beobachtet. Nach der Exposition wurde Carbo-Iron im Darm von H. azteca und D. rerio, aber keinem anderen Gewebe oder Organen detektiert. Carbo-Iron hatte keine signifikanten Effekte auf die Nitrifikationsrate der Bodenmikroorganismen sowie Überleben und Wachstum des Zebrabärblings. Dennoch wurden signifikant negative Effekte auf Wachstum, Fütterungsrate und Reproduktion von H. azteca und auf das Überleben und die Reproduktion von D. magna festgestellt. Des Weiteren war die Entwicklungsrate von C. riparius und das Zellvolumen von S. vacuolatus negativ beeinflusst.
Anhand der durchgeführten Studien wurde basierend auf dem Ergebnis des Reproduktionstests mit D. magna und einem assessment factor von 10 für Carbo-Iron eine predicted no effect concentration von 0,1 mg/L ermittelt. Diese wurde mit modellierten und gemessenen Umweltkonzentrationen von Carbo-Iron verglichen die in einer Studie erhoben wurden, in denen Carbo-Iron zur Behandlung eines mit Chlorkohlenwasserstoffen kontaminierten Aquifers eingesetzt wurde, und Risiko-Quotienten wurden abgeleitet. Zur gesamtheitlichen Betrachtung wurde anschließend ein Schema zur Bewertung des Umweltrisikos vor und nach der Behandlung des Aquifers mit Carbo-Iron entwickelt. Die erhobenen Daten weisen auf ein reduziertes Umweltrisiko nach der Applikation von Carbo-Iron hin. Dementsprechend überwiegen die Vorteile einer Grundwasserbehandlung mit Carbo-Iron die potentiellen negativen Effekte auf die Umwelt.
Die heutige Landwirtschaft ist in hohem Maße auf den Einsatz von Pestiziden angewiesen, um verschiedene Schädlinge zu bekämpfen und die Ernteerträge zu maximieren. Trotz detaillierter Vorschriften für den Einsatz von Pestiziden, die auf einem komplexen System der Risikobewertung beruhen, hat sich gezeigt, dass der weit verbreitete Einsatz dieser biologisch aktiven Substanzen eine Gefahr für die Umwelt darstellt. In Oberflächengewässern wurde beobachtet, dass die Pestizidbelastung die als noch umweltverträglich angesehenen Konzentrationen übersteigt und sich negativ auf die Ökologie der Fließgewässer auswirkt, was die Frage aufwirft, ob die derzeitige Risikobewertung einen nachhaltigen Einsatz von Pestiziden gewährleistet. Um diese Frage zu beantworten, hat das umfassende "Kleingewässer-Monitoring" (KgM) in den Jahren 2018 und 2019 das Vorkommen von Pestiziden und die damit verbundenen ökologischen Auswirkungen in 124 Fließgewässern in ganz Deutschland untersucht.
Basierend auf fünf wissenschaftlichen Publikationen, die aus dem KgM hervorgegangen sind, werden in dieser Arbeit die Pestizidbelastung in Fließgewässern, die ökologischen Auswirkungen und die regulatorischen Implikationen bewertet. Mehr als 1000 Wasserproben wurden auf über 100 Pestizid-Analyten untersucht, um das Vorkommen zu charakterisieren (Publikation 1). Die gemessenen Konzentrationen und Auswirkungen wurden zur Validierung der in der Risikobewertung vorhergesagten Umweltkonzentrationen und Wirkungschwellen verwendet (Veröffentlichung 2). Durch die gemeinsame Analyse von realen Pestizidanwendungsdaten und gemessenen Pestizidmischungen in Fließgewässern wurde die Missachtung von Pestizidmischungen in der Umwelt in der Risikobewertung beurteilt (Veröffentlichung 3). Das Risikopotenzial von Mischungen in Fließgewässern wurde zusätzlich mit Hilfe eines Verdachtsscreenings für 395 Chemikalien und einer Batterie von In-vitro-Bioassays untersucht (Publikation 4). Schließlich wurden die Ergebnisse des KgM verwendet, um die Eignung staatlicher Monitoringprogramme zur Identifizierung von Pestizidrisiken in Oberflächengewässern zu bewerten (Publikation 5).
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das weit verbreitete Vorkommen von Pestiziden in den Nichtzielökosystemen der Fließgewässer. Die Wasserproben wiesen eine Vielzahl von Pestiziden auf, die in komplexen Mischungen vor allem in kurzzeitigen Spitzenwerten nach Niederschlagsereignissen auftraten (Veröffentlichungen 1 & 4). Die jeweiligen Höchstwerte der Pestizidkonzentration wurden mit dem Rückgang empfindlicher Wirbellosenarten in Verbindung gebracht und überstiegen in etwa 80 % der landwirtschaftlich geprägten Fließgewässer die gesetzlich zulässigen Konzentrationen, welche als Schwellenwerte zum Teil noch als unzureichend für den Schutz der Wirbellosengemeinschaft angesehen wurden (Publikation 2). Das gleichzeitige Vorkommen von Pestiziden in Fließgewässern führte zu einem Risiko, das in der auf eine einzelne Substanzen ausgerichteten Risikobewertung in realistischen Worst-Case-Szenarien um einen Faktor von etwa 3,2 unterschätzt wurde. Dies wird durch die hohe Häufigkeit, mit der Nichtzielorganismen den Pestiziden ausgesetzt sind, weiter verstärkt (Veröffentlichung 3). Wasserproben, die nach Regenfällen entnommen wurden, verursachten in den Bioassays deutliche Effekte, die nur zu einem geringen Teil durch die vielen detektierten Analyten erklärbar waren, was auf die Relevanz unbekannter chemischer oder biologischer Mischungskomponenten hinweist (Publikation 4). Schließlich wurde festgestellt, dass die behördliche Überwachung von Oberflächengewässern gemäß der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) die Risiken von Pestiziden erheblich unterschätzt, da hier etwa drei Viertel der kritischen Pestizide und mehr als die Hälfte der gefährdeten Gewässer übersehen worden wären (Veröffentlichung 5).
Im Wesentlichen liefert diese Arbeit eine neue Ebene der Validierung der Risikobewertung von Pestiziden in aquatischen Ökosystemen, indem das Auftreten von Pestiziden und ihre Auswirkungen auf die Umwelt in einem bisher einzigartigen Maßstab bewertet werden. Die Ergebnisse zeigen generell, dass der derzeitige landwirtschaftliche Einsatz von Pestiziden zu erheblichen Auswirkungen auf die Fließgewässerökologie führt, die über das von der Risikobewertung tolerierte Maß hinausgehen. In dieser Arbeit wurden die Unterschätzung der Pestizidexposition, die potenzielle Unzulänglichkeit der gesetzlichen Schwellenwerte und die allgemeine Trägheit des Zulassungsverfahrens als Hauptursachen dafür ermittelt, dass entsprechende gesetzlich verankerte, ökologische Zielsetzungen momentan erwiesenermaßen nicht erreicht werden. Um einen nachhaltigen Einsatz von Pestiziden zu gewährleisten, schlägt die Arbeit wesentliche Änderungen der Risikobewertung vor. Monitoringprogramme wie das KgM, die über die derzeitigen staatlichen Überwachungsbemühungen hinausgehen, werden weiterhin erforderlich sein, um die Regulierungsbehörden für Pestizide ständig über die Gültigkeit ihrer prospektiven Risikobewertung zu informieren, die immer mit Unsicherheiten behaftet sein wird.