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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.
With 47% land coverage in 2016, agricultural land was one of the largest terrestrial biomes in Germany. About 70% of the agricultural land was cropped area with associated pesticide applications. Agricultural land also represents an essential habitat for amphibians. Therefore, exposure of amphibians to agrochemicals, such as fertilizers and pesticides, seems likely. Pesticides can be highly toxic for amphibians, even a fraction of the original application rate may result in high amphibian mortality.
To evaluate the potential risk of pesticide exposure for amphibians, the temporal coincidence of amphibian presence on agricultural land and pesticide applications (N = 331) was analyzed for the fire-bellied toad (Bombina bombina), moor frog (Rana arvalis), spadefoot toad (Pelobates fuscus) and crested newt (Triturus cristatus) during spring migration. In 2007 and 2008, up to 80% of the migrating amphibians temporally coincided with pesticide applications in the study area of Müncheberg, about 50 km east of Berlin. Pesticide interception by plants ranged between 50 to 90% in winter cereals and 80 to 90% in winter rape. The highest coincidence was observed for the spadefoot toad, where 86.6% of the reproducing population was affected by a single pesticide in winter rape during stem elongation with 80% pesticide interception by plants. Late migrating species, such as the fire-bellied toad and the spadefoot toad, overlapped more with pesticide applications than early migrating species, such as the moor frog, did. Under favorable circumstances, the majority of early migrants may not coincide with the pesticide applications of arable fields during spring migration.
To evaluate the potential effect of pesticide applications on populations of the common frog (Rana temporaria), a landscape genetic study was conducted in the vinicultural area of Southern Palatinate. Due to small sample sizes at breeding sites within viniculture, several DNA sampling methods were tested. Furthermore, the novel repeated randomized selection of genotypes approach was developed to utilize genetic data from siblings for more reliable estimates of genetic parameters. Genetic analyses highlighted three of the breeding site populations located in viniculture as isolated from the meta-population. Genetic differentiation among breeding site populations in the viniculture (median pairwise FST=0.0215 at 2.34 km to 0.0987 at 2.39 km distance) was higher compared to genetic differentiation among breeding site populations in the Palatinate Forest (median pairwise FST=0.0041 at 5.39 km to 0.0159 at 9.40 km distance).
The presented studies add valuable information about the risk of pesticide exposure for amphibians in the terrestrial life stage and possible effects of agricultural land on amphibian meta-populations. To conserve endemic amphibian species and their (genetic) diversity in the long run, the risk assessment of pesticides and applied agricultural management measures need to be adjusted to protect amphibians adequately. In addition, other conservation measures such as the creation of new suitable breeding site should be considered to improve connectivity between breeding site populations and ensure the persistence of amphibians in the agricultural land.
In den letzten Jahrzehnten wurde deutlich, dass die Welt mit einer beispiellosen, vom Menschen verursachten Biodiversitätskrise konfrontiert ist. Eine der am stärksten bedrohten Artengruppen stellen dabei die Amphibien dar, so gelten laut IUCN 41% der Amphibienarten als gefährdet. Jedoch können selbst bei Arten die als "least concern" klassifiziert sind Populationsrückgänge auf lokaler Ebene beobachtet werden. Mit einer veränderten Landnutzung und dem Einsatz von Pestiziden sind zwei der Hauptursachen für diese Gefährdung direkt mit intensiver Landwirtschaft verbunden. Daher ist das Wissen um die Situation von Amphibien in der Agrarlandschaft von entscheidender Bedeutung für Schutzmaßnahmen. In der vorliegenden Arbeit wurden Amphibienpopulationen in der durch Weinbau geprägten Gegend um Landau in der Pfalz (Deutschland) im Hinblick auf Lebensraumnutzung, Pestizidexposition, biometrische Merkmale sowie der Alters- und genetischer Populationsstruktur untersucht. Da Agrarflächen oft zur Fragmentierung von Landschaften führen, ging ich der Frage nach ob dies auch auf Weinberge zutrifft und ob eingesetzte Pestizide zur Fragmentierung beitragen, ob also eine chemische Landschaftsfragmentierung vorliegt. Durch die Telemetrierung von Erdkröten (Bufo bufo) konnte ich zeigen, dass diese Art direkt in Weinbergen gefunden werden kann, diese aber generell eher meidet. Die Analyse der genetischen Struktur von Grasfröschen (Rana temporaria) ergab, dass Weinberge als Barriere für Amphibien anzusehen sind. Um herauszufinden, ob Pestizide zu der daraus resultierenden Landschaftsfragmentierung beitragen, führte ich einen Wahlversuch im Labor durch, bei dem ich ein Vermeidungsverhalten gegenüber kontaminierten Böden fand, was zu einer chemischen Landschaftsfragmentierung führen könnte. Durch die Kombination von Telemetriedaten mit Daten über Pestizidanwendungen von lokalen Winzern konnte ich zeigen, dass ein großer Teil der Erdkröten mit Pestiziden in Kontakt kommt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sich die Agrarlandschaft und hier wahrscheinlich Pestizide negativ auf die Fortpflanzungsfähigkeit von Erdkröten auswirkt. Bei der Untersuchung von Fadenmolchen (Lissotriton helveticus) stellte ich fest, dass adulte Molche aus Gewässern in der Agrarlandschaft kleiner sind als Individuen aus Gewässern im Wald. Da kein Unterschied in der Altersstruktur festgestellt werden konnte, könnten diese Größenunterschiede auf suboptimale Bedingungen für Larven und/oder Jungtiere hindeuten, wenngleich Gewässer in der Agrarlandschaft geeignete Lebensräume für adulte Teichmolche sein könnten. Ich komme zu dem Schluss, dass die beste Maßnahme zum Schutz von Amphibien in der Agrarlandschaft eine heterogene Kulturlandschaft mit einem Mosaik aus verschiedenen Lebensräumen wäre, die ohne oder zumindest mit weniger Pestiziden auskommt. Grüne Korridore zwischen Populationen und Teillebensräumen würden es wandernden Individuen ermöglichen, landwirtschaftliche und damit pestizidbelastete Flächen zu vermeiden. Dies würde das Risiko der Pestizidexposition von Amphibien verringern und gleichzeitig die Fragmentierung der Landschaft und damit die Isolation von Populationen verhindern.
The largest population of the anadromous Allis shad (A. alosa) of the 19th century was found in River Rhine and has to be considered extinct today. To facilitate the return of A. alosa into River Rhine an EU LIFE-project was initiated in 2007. The overall objective of this thesis was to assist aquaculture and stocking-measures at River Rhine, as well as to support restoration and conservation of populations of Allis shad in Europe.
By culturing the free-swimming nematode T. aceti in a solution of cider vinegar we developed a cost-effective live food organism for the larviculture of fish. As indicated by experiments with C. maraena, T. aceti cannot be regarded as an alternative to Artemia nauplii. However it has to be considered a suitable supplemental feed in the early rearing of C. maraena by providing essential fatty acids, thereby optimizing growth.
Also mass-marking practices with Oxytetracycline, as they are applied in the restocking of Allis shad have been evaluated. In experiments with D. rerio we demonstrated that water hardness can detrimentally affect mortality during marking and has to be considered crucial in the development of marking protocols for freshwater fish.
In order to get independent from wild spawners an ex-situ Broodstock-facility for Allis shad was established in 2011. Upon examination of two complete year classes of this broodstock, we found a high prevalence of various malformations, which could be traced back to distinct cysts developing one month post hatch. Despite applying a variety of clinical tests we could not identify any infectious agents causing these malformations. The observed malformations are probably a consequence of suboptimal feeding practices or the properties of the physio-chemical rearing environment.
The decline of stocks of A. alosa in Europe has been largely explained with the increase of river temperatures as a consequence of global warming. By investigating the temperature physiology of larval Allis shad we demonstrated that A. alosa ranges among the most thermo-tolerant species in Europe and that correlations between rising temperatures and the disappearance of this species have to be understood in a synecological context and by integrating a variety of stressors other than temperature. By capturing and examining juvenile and adult Allis shad from River Rhine, we demonstrated the first natural reproduction of A. alosa in River Rhine since nearly 100 years and the success of stocking measures within the framework of the LIFE project.
This thesis was motivated by the need to advance the knowledge on the variability and dynamics of energy fluxes in lakes and reservoirs, as well as about the physical processes that regulate the fluxes at both the air and water side of the air-water interface.
In the first part, I re-examine how mechanical energy, resulting from its major source – the vertical wind energy flux - distributes into the various types of water motions, including turbulent flows and surface and internal waves. Although only a small fraction of the wind energy flux from the atmosphere is transferred to the water, it is crucial for physical, biogeochemical and ecological processes in lentic ecosystems. Based on extensive air- and water-side measurements collected at two small water bodies (< 10 km2), we estimated the energy fluxes and energy content in surface and in internal waves. Overall, the estimated energy fluxes and energy content agree well with results reported for larger water bodies, suggesting that the energetics driving the water motions in enclosed basins is similar, independently of the basin size. Our findings highlight the importance of the surface waves that receive the largest fraction of the wind energy flux, which strongly nonlinearly increases for wind speeds exceeding 3 m s-1. We found that the existing parameterization of the wave height as a function of wind speed and fetch length did not reproduce the measured wave amplitude in lakes. On average, the highest energy content was observed in basin-scale internal waves, together with high-frequency internal waves exhibiting seasonal variability and varies among the aquatic systems. During our analysis, we discovered the diurnal variability of the energy dissipation rates in the studied lake, suggesting biogenic turbulence generation, which appears to be a widespread phenomenon in lakes and reservoirs.
In the second part of the thesis, I addressed current knowledge gaps related to the bulk transfer coefficients (also known as the drag coefficient, the Stanton number and the Dalton number), which are of a particular importance for the bulk estimation of the surface turbulent fluxes of momentum, sensible and latent heat in the atmospheric boundary layer. Their inaccurate representation may lead to significant errors in flux estimates, affecting, for example, the weather and climate predictions or estimations of the near-surface current velocities in lake hydrodynamic models. Although the bulk transfer coefficients have been extensively studied over the past several decades (mainly in marine and large-lake environments), there has been no systematic analysis of measurements obtained at lakes of different size. A significant increase of the transfer coefficients at low wind speeds (< 3 m s-1) has been observed in several studies, but, to date, it has remained unexplained. We evaluated
the bulk transfer coefficients using flux measurements from 31 lakes and reservoirs. The estimates were generally within the range reported in previous studies for large lakes and oceans. All transfer coefficients increased substantially at low wind speeds, which was found to be associated with the presence of gusts and capillary waves (except the Dalton number). We found that the Stanton number is systematically higher than the Dalton number. This challenges the assumption made in the Bowen-ratio method, which is widely used for estimating evaporation rates from micrometeorological measurements. We found that the variability of the transfer coefficients among the lakes could be associated with lake surface area. In flux parameterizations at lake surfaces, it is recommended to consider variations in the drag coefficient and the Stanton number due to wind gustiness and capillary wave roughness while the Dalton number could be considered as constant at all wind speeds.
In the third part of the thesis, I address the key drivers of the near-surface turbulence that control the gas exchange in a large regulated river. As all inland waters, rivers are an important natural source of greenhouse gases. The effects of the widespread alteration and regulation of river flow for human demands on gas exchange is largely unknown. In particular, the near-surface turbulence in regulated rivers has been rarely measured and its drivers have not been identified. While in lakes and reservoirs, near-surface turbulence is mainly related to atmospheric forcing, in shallow rivers and streams it is generated by bottom friction of the gravity-forced flow. The studied large regulated river represents a transition between these two cases. Atmospheric forcing and gravity were the dominant drivers of the near-surface turbulence for a similar fraction of the measurement period. Based on validated scalings, we derived a simple model for estimating the relative contributions of wind and bottom friction to near-surface turbulence in lotic ecosystems with different flow depths. Large diel variability in the near-surface energy dissipation rates due to flow regulation leads to the same variability in gas exchange. This suggests that estimates of gas fluxes from rivers are biased by measurements performed predominantly during daytime.
In addition, the novelty in all the analyses described above is the use of the turbulent surface fluxes measured directly by the eddy-covariance technique – at the moment of writing, the most advanced method. Overall, this thesis is of a potential interest for a broad range of scientific disciplines, including limnology, micrometeorology and open channel hydraulics.
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.
In der vorliegenden Arbeit wurden Benetzungseigenschaften zweier stark anthropogen beeinflusster Böden in Abhängigkeit von Einflussfaktoren wie Wassergehalt, pH, Trocknungs- und Benetzungstemperatur untersucht. Ziel war es die Prozesse und Mechanismen, die zu Veränderungen der Benetzungseigenschaften von Böden führen, besser zu verstehen. Erkenntnisse über diese Prozesse und Mechanismen lassen zum einen Rückschlüsse auf das generelle Verhalten von organischer Bodensubstanz zu, können zum anderen aber auch helfen, vorsorgliche Maßnahmen zu ergreifen um Bodenhydrophobie zu verhindern oder deren negative Effekte zu reduzieren. Anhand der Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Spreitung von liegenden Tropfen (TISED) auf hydrophoben und benetzbaren Bodenproben beider Standorte wurde die Hypothese getestet, dass der Benetzungsprozess durch chemische Reaktionen kontrolliert wird. Mithilfe von DRIFT (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform) Spektren wurde überprüft, ob unterschiedliche Trocknungs-bedingungen (Temperatur, Dauer, Luftfeuchte) zu Unterschieden in der Anzahl hydrophober und hydrophiler funktioneller Gruppen in den äußeren Molekülschichten führen die sich im Grad der Benetzungshemmung widerspiegeln. Durch künstliche pH-Wert Änderung über die Gas¬phase konnte die pH-Wert Abhängigkeit der Benetzungshemmung unabhängig vom Wassergehaltseinfluss beider Standorte verglichen werden. Die beiden Standorte weisen extreme Unterschiede in der Art der Benetzungshemmung auf und sind dadurch beispielhaft für die Bandbreite der möglichen Ursachen und Mechanismen der Benetzungs-hemmung in Böden. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Temperatur- Wassergehalts- und pH-Abhängigkeit der Benetzungshemmung aus dieser Arbeit im Vergleich mit Ergebnissen vorhergehender Arbeiten lassen sich am besten mit jeweils einem konzeptionellen Modell pro Standort zur Natur der Benetzungshemmung erklären: Am Standort Tiergarten werden die Benetzungseigenschaften vermutlich durch mizellartige Anordnung amphiphiler Substanzen an der Oberfläche der organischen Bodensubstanz bestimmt, die abhängig vom Gehalt wasserlöslicher amphiphiler Substanzen, dem pH Wert und der Ionenstärke in der Bodenlösung im Verlaufe der Trocknung zu einer unterschiedlichen Orientierung der hydrophilen funktionellen Gruppen führt. Bei niedrigen pH-Werten und hoher Ionenstärke herrschen schwache Abstoßungskräfte zwischen den hydrophilen Gruppen, diese können aggregieren und hydrophobe Molekülketten sind nach außen gerichtet. Bei höheren pH-Werten und niedrigerer Ionenstärke sind die abstoßenden Kräfte zwischen den hydrophilen Gruppen groß und führen zu einer Aggregation hydrophober Gruppen, wobei die hydrophilen Gruppen nach der Trocknung nach außen gerichtet sind und für eine bessere Benetzbarkeit sorgen. Am Standort Buch sind chemische Reaktionen zur Benetzung nötig. Aufgrund der starken Wassergehaltsabhängigkeit der Benetzungshemmung könnte es sich dabei um Hydrolysereaktionen handeln, die säurekatalysiert reversible wassegehaltsabhängige Gleichgewichtsreaktionen und im Basischen irreversibel sind. Die beiden Modelle können eine Vielzahl von Beobachtungen erklären, die im Verlaufe dieser Untersuchung aber auch in vorhergehenden Untersuchungen gemacht wurden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und ihr Vergleich mit vorherigen Untersuchungen auf denselben Standorten zeigten, dass Benetzungshemmung in Böden durch eine Vielzahl von Faktoren und Prozessen beeinflusst ist, die sowohl synergistisch als auch antagonistisch wirken können. Welche Faktoren den größten Einfluss ausüben bzw. welche Prozesse die vorherrschenden sind, hängt von lokalen Größen wie der Art des Mineralbodens und der organischen Bodensubstanz ab, die wiederum dem Einfluss von Klima, Textur, Topografie, Vegetation und der Nutzungsgeschichte unterliegen.
Organische Substanzen spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung von stabilen Bodenstrukturen. Dabei sind maßgeblich deren physikochemischen Eigenschaften, Wechselwirkungen mit der mineralischen Bodenphase und die daraus resultierende Boden-Wasser Interaktionen von Bedeutung. Dennoch weiß man nur wenig über zugrunde liegenden Mechanismen der Partikelverkittung durch organische Substanzen und inwieweit deren Quellung unter Bildung von interpartikulären Hydrogelen die bodenstrukturelle Stabilität beeinflusst. Bis heute existiert kein mechanistisches Model, dass deren Quellung im Boden beschreibt und daraus resultierende Boden-Wasser Interaktionen in Zusammenhang mit bodenstruktureller Stabilität bringt. Dies ist maßgeblich auf das Fehlen bzw. eine unzureichende Adaptierung geeigneter Testmethoden zur Erfassung von Quellungsprozessen interpartikulärer Hydrogele in Böden zurückzuführen.
In der vorliegenden Dissertation wurde die 1H NMR Relaxometrie mit mikro- und makrostrukturellen Bodenstabilitätstests kombiniert um Boden-Wasser Interaktionen mit der strukturellen Stabilität wassergesättigter und ungesättigter, feuchter Böden zu verknüpfen. Der Erste Teil der Arbeit erfasste Potential und Grenzen der 1H-NMR Relaxometry zur Erfassung unterschiedlicher Wasserpopulationen und struktureller Stabilisierungsmechanismen Boden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die 1H-NMR Relaxometrie zur Untersuchung von Quellungsprozessen einer hydrogel-bildenden organischen Modelsubstanz in Modelböden unterschiedlicher Komplexität eingesetzt. Mittels der Kombination mit Bodenrheologie sollten die zugrundeliegenden Mechanismen identifiziert werden, die im Zusammenhang mit der strukturellen Bodenstabilität stehen. Im letzten Teil der Arbeit wurden die zuvor gesammelten Erkenntnisse auf einen humosen, landwirtschaftlichen Boden übertragen und die Effekte einzelner organischer und mineralischer Bo-denbestandteile auf Boden-Wasser-Interaktionen und bodenstrukturelle Stabilität mittels Dichtefraktionierung noch detaillierter erfasst.
Die zunehmende Komplexität der Experimente ermöglichten eine Brücke zwischen den physikochemischen Eigenschaften interpartikulären Hydrogels und bodenstruktureller Stabilität zu schlagen und ein Modell für die zugrunde liegenden Prozesse für wassergesättigte und ungesättigte, feuchte Böden abzuleiten: Während gequollene Tonpartikel die Reibung zwischen Bodenpartikeln erniedrigen und somit die bodenstrukturelle Stabilität herabsetzen, zeigen gequollen Hydrogelstrukturen den gegenteiligen Effekt und erhöhen die bodenstrukturelle Stabilität. Dies ist zurückzuführen auf die Bildung eines flexiblen und viskosen Polymernetzwerkes, welches mineralische Bodenpartikel über weite Bereiche verbindet und eine deutlich höhere Stabilität als Poren- oder Kapillarwasser aufweist. Es zeigte sich zudem, dass die bodenstrukturelle Stabilität mit steigender Viskosität des interpartikulären Hydrogels zunimmt und dabei von der Inkubationszeit, Bodentextur, Zusammensetzung der Bodenlösung und externen Faktoren wie Bodenfeuchtedynamik und landwirtschaftliche Bewirtschaftungsweisen abhängt. Die stabilisierende Wirkung von interpartikulärem Hydrogel wird zusätzlich durch Tonpartikeln verstärkt, was maßgeblich aus Polymer-Ton-Interaktionen und der Aufnahme von Tonpartikeln in das Hydrogelnetzwerk resultiert. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die gleichzeitige Quellung von Hydrogelstrukturen und Tonpartikeln und der dabei vorhandenen Konkurrenz um verfügbares Wasser und freien Raum zu einer gegenseitigen Quellungshemmung führen. Somit erhöhen Polymer-Ton-Interaktionen nicht nur die Viskosität des interpartikulären Hydrogels und damit dessen Stabilisierungspotential, sondern erniedrigen zudem die Quellung von Tonpartikeln und damit deren negativen Effekte auf die bodenstrukturelle Stabilität. Das Wissen um diese zugrunde liegenden Prozesse erweitert das Verständnis zur Bildung stabiler Bodenstrukturen und ermöglicht das Ergreifen geeigneter, nachhaltiger Bodenbewirtschaftungsmaßnahmen. Die zudem aufgezeigten Limitierungen des mechanistischen Modells sollen Ansatzpunkte für weitere Forschungs- und Optimierungspotentiale aufzeigen.
Der Verlust der Biodiversität wird sowohl auf einer globalen Skala als auch für die anthropogen geformten Landschaften, die heute fast 50% der terrestrischen Landfläche ausmachen, festgestellt. Auf den landwirtschaftlichen Anbauflächen werden Pestizide, biologisch aktive Chemikalien, ausgebracht um Schädlinge, Krankheiten und Unkräuter zu kontrollieren. Um die Auswirkung der Pestizide auf die Biodiversität zu verstehen ist die Quantifizierung der verbliebenen semi-natürlichen Strukturen wie Feldsäume und Hecken, die Organismen in Agrarlandschaften als Habitat dienen, eine Voraussetzung. Für eine Abschätzung ihrer potentiellen Pestizidexposition ist zudem die Anwesenheit der Organismen in diesen Habitaten und in den Feldkulturen notwendig. Im vorliegenden Text stelle ich Studien für Tiergruppen wie Amphibien, Fledermäuse und Motten vor, die bisher nicht in der Risikobewertung für Pestizide berücksichtigt worden sind. Für alle Gruppen wurde dargelegt, dass sie sowohl in der Agrarlandschaft leben als auch potentiell mit Pestiziden in Kontakt kommen und daher ein Risiko angezeigt ist. Für die Risikobetrachtung sind auch Informationen zur Empfindlichkeit der Organismen notwendig und hier werden neue Daten für Pflanzen, Amphibien und Bienen vorgestellt. Effekte die bis auf die Gemeinschaftsebene wirksam waren, wurden für die Auswirkungen von Herbizid, Insektizid und Dünger in einem natürlichen System betrachtet. Das Ergebnis nach drei Behandlungsjahren waren vereinfachte Pflanzengemeinschaften mit geringerer Artenzahl und einer reduzierten Anzahl von Blütenpflanzen. Die Abnahme an Blüten stellt ein Beispiel eines indirekten Effekts dar und war für die Effekte eines Herbizids auf den scharfen Hahnenfuß besonders auffällig. Subletale Herbizideffekte für Pflanzen hatten einen Einfluss auf daran fressende Raupen was durch eine Verminderung der Nahrungsqualität erklärbar ist. Für Feldsäume realistische Insektizidmengen reduzierten die Bestäubung der weißen Lichtnelke durch Motten um 30%. Diese indirekten Effekte durch Veränderungen im Nahrungsnetz spielen eine kritische Rolle für das Verständnis des Rückgangs von verschiedenen Organismengruppen, allerdings werden sie bisher nicht in die Risikobewertung von Pestiziden mit einbezogen. Der aktuelle intensive Pestizideinsatz in der Landwirtschaft und ihre hohe Toxizität könnten zu einer chemisch fragmentierten Landschaft führen in der Population nicht mehr verbunden sind und damit deren Größe und genetische Struktur beeinflussen. Die Modellierung von möglichen Pestizideffekten als Kosten für die Anwanderung von Amphibien zu Fortpflanzungsgewässern in Weinbergen in Rheinland-Pfalz zeigte die Isolation der untersuchten Populationen an. Eine erste Validierung für den Grasfrosch bestätigte die Modellvorhersagen für einige Populationen. Für den terrestrischen Bereich der Risiko-bewertung ist eine Vielzahl von Richtlinien vorhanden oder wird aktuell entwickelt oder verbessert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten zeigen, dass vor allem die reproduktiven Blütenstadien von Pflanzen sehr empfindlich sind und ihr Risiko unterschätz ist. Die Erholung von Arthropodenpopulationen nach Pestizideffekten muss auf Landschafts-ebene neu bemessen werden und eine Risikobewertung für Amphibien für die Zulassung wird vorgeschlagen. Die Etablierung und Anpassung von Risikobewertungssystemen ist allerdings ein zeitaufwändiger Prozess und daher stellt die Entwicklung von Risikomanagementmaßnahmen eine pragmatische Alternative mit unmittelbaren Auswirkungen dar. Künstliche Gewässer der Agrarlandschaft sind wichtige Nahrungsgebiete für Fledermäuse und ihre Anlage würde negative Auswirkungen des Pestizideinsatzes abschwächen. Die Einbindung von direkten und indirekten Effekten für alle Organismengruppen in eine Risikobewertung in der auch der Landschaftsmaßstab und Pestizidmischungen betrachtet werden wird viel Entwicklungszeit benötigen. Die Etablierung von Modellandschaften in der Managementmaßnahmen und integrierter Pflanzenschutz auf größerer Skala angewendet werden, würde es uns jedoch erlauben die Auswirkungen von Pestiziden in einem realistischen Szenario zu untersuchen und Ansätze für die Landwirtschaft der Zukunft zu entwickeln.