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Agriculture covers one third of the world land area and has become a major source of water pollution due to its heavy reliance on chemical inputs, namely fertilisers and pesticides. Several thousands of tonnes of these chemicals are applied worldwide annually and partly reach freshwaters. Despite their widespread use and relatively unspecific modes of action, fungicides are the least studied group of pesticides. It remains unclear whether the taxonomic groups used in pesticide risk assessment are protective for non-target freshwater fungi. Fungi and bacteria are the main microbial decomposers converting allochthonous organic matter (litter) into a more nutritious food resource for leaf-shredding macroinvertebrates. This process of litter decomposition (LD) is central for aquatic ecosystem because it fuels local and downstream food webs with energy and nutrients. Effects of fungicides on decomposer communities and LD have been mainly analysed under laboratory conditions with limited representation of the multiple factors that may moderate effects in the field.
In this thesis a field study was conducted in a German vineyard area to characterise recurrent episodic exposure to fungicides in agricultural streams (chapter 2) and its effects on decomposer communities and LD (chapter 3). Additionally, potential interaction effects of nutrient enrichment and fungicides on decomposer communities and LD were analysed in a mesocosm experiment (chapter 4).
In the field study event-driven water sampling (EDS) and passive sampling with EmporeTM styrene-divinylbenzene reverse phase sulfonated disks (SDB disks) were used to assess exposure to 15 fungicides and 4 insecticides. A total of 17 streams were monitored during 4 rainfall events within the local application period of fungicides in 2012. EDS exceeded the time-weighted average concentrations provided by the SDB disks by a factor of 3, though high variability among compounds was observed. Most compounds were detected in more than half of the sites and mean and maximum peak (EDS) concentrations were under 1 and 3 µg/l, respectively. Besides, SDB disk-sampling rates and a free-software solution to derive sampling rates under time-variable exposure were provided.
Several biotic endpoints related to decomposers and LD were measured in the same sampling sites as the fungicide monitoring, coinciding with the major litter input period. Our results suggest that polar organic fungicides in streams change the structure of the fungal community. Causality of this finding was supported by a subsequent microcosm experiment. Whether other effects observed in the field study, such as reduced fungal biomass, increased bacterial density or reduced microbial LD can be attributed to fungicides remains speculative and requires further investigation. By contrast, neither the invertebrate LD nor in-situ measured gammarid feeding rates correlated with water-borne fungicide toxicity, but both were negatively associated with sediment copper concentrations. The mesocosm experiment showed that fungicides and nutrients affect microbial decomposers differently and that they can alter community structure, though longer experiments are needed to determine whether these changes may propagate to invertebrate communities and LD. Overall, further studies should include representative field surveys in terms of fungicide pollution and physical, chemical and biological conditions. This should be combined with experiments under controlled conditions to test for the causality of field observations.
The intention of this thesis was to characterise the effect of naturally occurring multivalent cations like Calcium and Aluminium on the structure of Soil Organic Matter (SOM) as well as on the sorption behaviour of SOM for heavy metals such as lead.
The first part of this thesis describes the results of experiments in which the Al and Ca cation content was changed for various samples originated from soils and peats of different regions in Germany. The second part focusses on SOM-metal cation precipitates to study rigidity in dependence of the cation content. In the third part the effects of various cation contents in SOM on the binding strength of Pb cations were characterised by using a cation exchange resin as desorption method.
It was found for soil and peat samples as well as precipitates that matrix rigidity was affected by both type and content of cation. The influence of Ca on rigidity was less pronounced than the influence of Al and of Pb used in the precipitation experiments. For each sample one cation content was identified where matrix rigidity was most pronounced. This specific cation content is below the cation saturation as expected by cation exchange capacity. These findings resulted in a model describing the relation between cation type, content and the degree of networking in SOM. For all treated soil and precipitate samples a step transition like glass transition was observed, determined by the step transition temperature T*. It is known from literature that this type of step transition is due to bridges between water molecules and organic functional groups in SOM. In contrast to the glass transition temperature this thermal event is slowly reversing after days or weeks depending on the re-conformation of the water molecules. Therefore, changes of T* with different cation compositions in the samples are explained by the formation of water-molecule-cation bridges between SOM-functional groups. No influence on desorption kinetics of lead for different cation compositions in soil samples was observed. Therefore it can be assumed that the observed changes of matrix rigidity are highly reversible by changing the water status, pH or putting agitation energy by shaking in there.
Agricultural land-use may lead to brief pulse exposures of pesticides in edge-of-field streams, potentially resulting in adverse effects on aquatic macrophytes, invertebrates and ecosystem functions. The higher tier risk assessment is mainly based on pond mesocosms which are not designed to mimic stream-typical conditions. Relatively little is known on exposure and effect assessment using stream mesocosms.
Thus the present thesis evaluates the appliacability of the stream mesocosms to mimic stream-typical pulse exposures, to assess resulting effects on flora and fauna and to evaluate aquatic-terrestrial food web coupling. The first objective was to mimic stream-typical pulse exposure scenarios with different durations (≤ 1 to ≥ 24 hours). These exposure scenarios established using a fluorescence tracer were the methodological basis for the effect assessment of an herbicide and an insecticide. In order to evaluate the applicability of stream mesocosms for regulatory purposes, the second objective was to assess effects on two aquatic macrophytes following a 24-h pulse exposure with the herbicide iofensulfuron-sodium (1, 3, 10 and 30 µg/L; n = 3). Growth inhibition of up to 66 and 45% was observed for the total shoot length of Myriophyllum spicatum and Elodea canadensis, respectively. Recovery of this endpoint could be demonstrated within 42 days for both macrophytes. The third objective was to assess effects on structural and functional endpoints following a 6-h pulse exposure of the pyrethroid ether etofenprox (0.05, 0.5 and 5 µg/L; n = 4). The most sensitive structural (abundance of Cloeon simile) and functional (feeding rates of Asellus aquaticus) endpoint revealed significant effects at 0.05 µg/L etofenprox. This concentration was below field-measured etofenprox concentrations and thus suggests that pulse exposures adversely affect invertebrate populations and ecosystem functions in streams. Such pollutions of streams may also result in decreased emergence of aquatic insects and potentially lead to an insect-mediated transfer of pollutants to adjacent food webs. Test systems capable to assess aquatic-terrestrial effects are not yet integrated in mesocosm approaches but might be of interest for substances with bioaccumulation potential. Here, the fourth part provides an aquatic-terrestrial model ecosystem capable to assess cross-ecosystem effects. Information on the riparian food web such as the contribution of aquatic (up to 71%) and terrestrial (up to 29%) insect prey to the diet of the riparian spider Tetragnatha extensa was assessed via stable isotope ratios (δ13C and δ15N). Thus, the present thesis provides the methodological basis to assess aquatic-terrestrial pollutant transfer and effects on the riparian food web.
Overall the results of this thesis indicate, that stream mesocosms can be used to mimic stream-typical pulse exposures of pesticides, to assess resulting effects on macrophytes and invertebrates within prospective environmental risk assessment (ERA) and to evaluate changes in riparian food webs.
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.
In Agrarlandschaften zählen Laufkäfer zu den weit verbreiteten Fressfeinden verschiedener Schädlinge, wie etwa von Nacktschnecken. Einflüsse von naturnahen Randstrukturen auf Laufkäfer und deren Potenzial zur natürlichen Schädlingsbekämpfung sind bekannt.
Der Einfluss von naturnahen Randstrukturen wurde auf randstrukturbewohnende Laufkäfer und Schnecken untersucht (Kapitel 2). Die Mehrzahl an Laufkäfern sowie Deroceras reticulatum präferierten Krautsäume, wohingegen Arion spp. vor allem in Gehölzen vorkam. Steigende Abundanzen von räuberischen Laufkäferarten und abnehmende Zahlen von Arion spp., gefördert durch einen hohen Anteil an Randstrukturen, lassen auf ein erhöhtes Potenzial zur Schneckenbekämpfung in strukturreichen Landschaften schließen.
Der Einfluss von naturnahen Randstrukturen wurde auf räuberische Laufkäfer und Schnecken in 18 Weizenfeldern getestet (Kapitel 3). Der Artenreichtum an karnivoren Laufkäfern stieg zusammen mit dem Anteil an Randstrukturen in der Landschaft, wobei deren Abundanz von kleinräumigen Effekten unbeeinflusst blieb. Die beiden Schädlinge zeigten unterschiedliche Muster, wobei Dichten von Arion spp. an Gehölzen in strukturarmen Landschaften am höchsten waren. D. reticulatum wurde weder durch lokale noch von großräumigen Effekten beeinflusst, was auf ihre Anpassung an Agrarlandschaften zurückzuführen ist. Die Ergebnisse lassen auf eine gesteigerte Kontrolle von Arion spp. durch Laufkäfer in strukturreichen Gebieten schließen.
Effekte von Randstrukturen und Bewirtschaftung wurden auf die Verteilung von Laufkäfern in 18 Kürbisfeldern getestet (Kapitel 4). Der Artenreichtum stieg mit Nähe zu den Randstrukturen, wobei Laufkäferabundanzen je nach Habitattyp unterschiedlich beeinflusst wurden. Die Bewirtschaftungsart hatte keinen Einfluss auf Laufkäfer und Landschaftsheterogenität beeinflusste nur Laufkäfer in ökologisch bewirtschafteten Feldern.
Prädationsexperimente von Schnecken und deren Eiern durch drei Laufkäferarten wurden im Labor in Einzel- und Zweierkonstellationen durchgeführt (Kapitel 5). Je nach Art wurden synergistische und additive Effekte gemessen. Generell erhöhen naturnahe Randstrukturen das Potenzial zur Schneckenbekämpfung durch Laufkäfer, was vor allem für Schnecken der Gattung Arion zählt. Es ist wichtig, einen bestimmten Anteil an naturnahen Randstrukturen in Agrarlandschaften bereitzustellen, da sie als Rückzugs-, Eiablage- und Überwinterungsorte fungieren und komplementäre Nahrungsressourcen bereitstellen.
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.
Invasive species often have a significant impact on the biodiversity of ecosystems and the species native to it. One of the worst invaders worldwide is Aphanomyces astaci, the causative agent of the crayfish plague, an often fatal disease to crayfish species not native to North America. Aphanomyces astaci originates from North America and was introduced to Europe in the midst of the 19th century. Since then, it spread throughout Europe diminishing the European crayfish populations. The overall aim of this thesis was to evaluate the threat that A. astaci still poses to European crayfish species more than 150 years after its introduction to Europe. In the first part of the thesis, crayfish specimens, which are available in the German pet trade, were tested for infections with A. astaci. Around 13% of the tested crayfish were clearly infected with A. astaci. The study demonstrated the potential danger the pet trade poses for biodiversity through the import of alien species and their potential pathogens, in general. In the second part of the thesis, the A. astaci infection prevalence of crayfish species in wild populations in Europe was tested. While the stone crayfish, Austropotamobius torrentium, showed high susceptibility to different haplogroups of A. astaci, the narrow-clawed crayfish, Astacus leptodactylus, was able to survive infections, even by haplogroup B, which is considered to be highly virulent. In the last part of the thesis, A. astaci was traced back to its original distribution area of North America. While the crayfish plague never had such a devastating effect on crayfish in North America as it had in Europe, the reasons for the success of invasive crayfish within North America are not yet fully understood. It is possible that A. astaci increases the invasion success of some crayfish species. Several populations of the rusty crayfish, Orconectes rusticus, in the Midwest of North America were confirmed to be infected with A. astaci and a new genotype was identified, possibly indicating that each crayfish host is vector of a unique A. astaci genotype, even in North America. Overall, the present thesis provides evidence that A. astaci is still a major threat to the crayfish species indigenous to Europe. Crayfish mass mortalities still occur in susceptible crayfish species like A. torrentium even 150 years after the first introduction of A. astaci. While there are some indications for increased resistances through processes of co-evolution, the continuous introduction of crayfish species to Europe threatens to cause new outbreaks of the crayfish plague through the parallel introduction of new, highly virulent A. astaci strains.
For a comprehensive understanding of evolutionary processes and for providing reliable prognoses about the future consequences of environmental change, it is essential to reveal the genetic basis underlying adaptive responses. The importance of this goal increases in light of ongoing climate change, which confronts organisms worldwide with new selection pressures and requires rapid evolutionary change to avoid local extinction. Thereby, freshwater ectotherms like daphnids are particularly threatened. Unraveling the genetic basis of local adaptation is complicated by the interplay of forces affecting patterns of genetic divergence among populations. Due to their key position in freshwater communities, cyclic parthenogenetic mode of reproduction and resting propagules (which form biological archives), daphnids are particularly suited for this purpose.
The aim of this thesis was to assess the impact of local thermal selection on the Daphnia longispina complex and to reveal the underlying genetic loci. Therefore, I compared genetic differentiation among populations containing Daphnia galeata, Daphnia longispina and their interspecific hybrids across time, space, and species boundaries. I revealed strongly contrasting patterns of genetic differentiation between selectively neutral and functional candidate gene markers, between the two species, and among samples from different lakes, suggesting (together with a correlation with habitat temperatures) local thermal selection acting on candidate gene TRY5F and indicating adaptive introgression. To reveal the candidate genes’ impact on fitness, I performed association analyses among data on genotypes and phenotypic traits of D. galeata clones from seven populations. The tests revealed a general temperature effect as well as inter-population differences in phenotypic traits and imply a possible contribution of the candidate genes to life-history traits. Finally, utilizing a combined population transcriptomic and reverse ecology approach, I introduced a methodology with a wide range of applications in evolutionary biology and revealed that local thermal selection was probably a minor force in shaping sequence and gene expression divergence among four D. galeata populations, but contributed to sequence divergence among two populations. I identified many transcripts possibly under selection or contributing strongly to population divergence, a large amount thereof putatively under local thermal selection, and showed that genetic and gene expression variation is not depleted specifically in temperature-related candidate genes.
In conclusion, I detected signs of local adaptation in the D. longispina complex across space, time, and species barriers. Populations and species remained genetically divergent, although increased gene flow possibly contributed, together with genotypes recruited from the resting egg bank, to the maintenance of standing genetic variation. Further work is required to accurately determine the influence of introgression and the effects of candidate genes on individual fitness. While I found no evidence suggesting a response to intense local thermal selection, the high resilience and adaptive potential regarding environmental change I observed suggest positive future prospects for the populations of the D. longispina complex. However, overall, due to the continuing environmental degradation, daphnids and other aquatic invertebrates remain vulnerable and threatened.
Factors triggering the ecotoxicity of metal-based nanoparticles towards aquatic invertebrates
(2015)
Heutzutage werden Nanopartikel in großem Maßstab produziert, weshalb deren Eintrag in Oberflächengewässer immer wahrscheinlicher wird. Dort angelangt unterliegen sie verschiedenen umweltbedingten (Oberflächen-)Modifikationen, die in letzter Konsequenz eine Vielfalt von Nanopartikel-Agglomeraten unterschiedlicher Größe hervorbringen. Direkt davon betroffen sind aquatische Lebewesen, die einer entsprechenden Nanopartikelexposition in der Wasserphase ausgesetzt sind.
Nach Sedimentation der Agglomerate können aber ebenfalls benthische Organismen betroffen sein. Bisherige ökotoxikologische Untersuchungen haben solche umweltbedingten Einflüsse außer Acht gelassen und viel mehr nanopartikel-spezifische Charakteristika auf deren Wirkweise gegenüber pelagischen Vertretern untersucht. Aus diesem Grund ist eine systematische Untersuchung derer Faktoren von Nöten, die den Verbleib und das Verhalten aber auch die Toxizität von Nanopartikeln in der Umwelt maßgeblich beeinflussen. Die kumulative Arbeit dieser Dissertation macht sich dies zum Ziel und hinterfragt entsprechende Faktoren die einerseits durch Nanopartikel assoziierte Aspekte (definiert als i) inhärente Stoffeigenschaft des untersuchten Materials und ii) Nanopartikel Charakteristika)) und andererseits durch Umweltbedingungen in Oberflächengewässern geprägt sind. In diesem Kontext wurden verschiedene ökotoxikologische Untersuchungen mit inerten Titandioxid Nanopartikeln (nTiO2) und Ionen freisetzenden Silber Nanopartikeln (nAg) unter Berücksichtigung verschiedener Nanopartikel Charakteristika (z.B. initiale Partikelgröße, Oberflächengröße) und Umweltbedingungen (z.B. Ionenstärke, ultraviolettes Licht (UV-Licht)), durchgeführt.
Als Testorganismen dienten dazu die pelagischen bzw. benthischen Vertreter Daphnia magna und Gammarus fossarum. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass die Toxizität von nTiO2 und nAg gegenüber Daphnien maßgeblich durch das Adsorptionspotential (im Bezug auf das Anhaften der Partikel an die Organismenoberfläche) und das Umweltverhalten (Freisetzung von radikalen Sauerstoffspezies oder Metallionen) der Nanopartikel bestimmt wird.
Darüber hinaus wurde die Nanopartikeltoxizität von jenen inhärenten Stoffeigenschaften, Nanopartikelcharakteritika und Umweltbedingungen am meisten beeinflusst, welche die zuvor genannten Aspekte entweder verstärken oder abschwächen. Hierfür beispielhaft ist der toxizitätsverstärkende Effekt von UV-Licht auf nTiO2 in Experimenten mit Gammarus: Während eine Exposition der Organismen in absoluter Dunkelheit selbst bei 5,00 mg nTiO2/L keine Effekt hervorrief, kam es in der Anwesenheit von UV-Licht schon bei 0,20 mg nTiO2/L zu schwerwiegenden Effekten auf sublethaler und lethaler Ebene.
Unter Berücksichtigung der Ergebnisse dieser Dissertation sowie bisherige Erkenntnisse der Wissenschaft im Allgemeinen, ist die derzeitige Risikoeinschätzung von Nanopartikeln möglicherweise unprotektiv, sofern eine Interaktion von Nanopartikeln und Umwelteinflüssen unberücksichtigt bleibt
Studies have shown that runoff and spray-drift are important sources of nonpoint-source pesticide pollution of surface waters. Owing to this, public concern over the presence of pesticides in surface and ground water has resulted in intensive scientific efforts to find economical, yet environmentally sound solutions to the problem. The primary objective of this research was to assess the effectiveness of vegetated aquatic systems in providing buffering between natural aquatic ecosystems and agricultural landscape following insecticide associated runoff and spray-drift events. The first set of studies were implemented using vegetated agricultural ditches, one in Mississippi, USA, using pyrethroids (bifenthrin, lambda-cyhalothrin) under simulated runoff conditions and the other in the Western Cape, South Africa using the organophosphate insecticide, azinphos-methyl (AZP), under natural runoff and spray-drift conditions. The second set of studies were implemented using constructed wetlands, one in the Western Cape using AZP under natural spray-drift conditions and the other in Mississippi, USA using the organophosphate MeP under simulated runoff conditions. Results from the Mississippi-ditch study indicated that ditch lengths of less than 300 m would be sufficient to mitigate bifenthrin and lambda-cyhalothrin. In addition, data from mass balance calculations determined that the ditch plants were the major sink (generally > 90%) and/or sorption site for the rapid dissipation of the above pyrethroids from the water column. Similarly, results from the ditch study in South Africa showed that a 180 m vegetated system was effective in mitigating AZP after natural spray drift and low flow runoff events. Analytical results from the first wetland study show that the vegetated wetland was more effective than the non-vegetated wetland in reducing loadings of MeP. Mass balance calculations indicated approximately 90% of MeP mass was associated with the plant compartment. Ninety-six hours after the contamination, a significant negative acute effect of contamination on abundances was found in 8 out of the 15 macroinvertebrate species in both wetland systems. Even with these toxic effects, the overall reaction of macroinvertebrates clearly demonstrated that the impact of MeP in the vegetated wetland was considerably lower than in the non-vegetated wetland. Results from the constructed wetland study in South Africa revealed that concentrations of AZP at the inlet of the 134 m wetland system were reduced by 90% at the outlet. Overall, results from all of the studies in this thesis indicate that the presence of the plant compartment was essential for the effective mitigation of insecticide contamination introduced after both simulated and natural runoff or spray-drift events. Finally, both the vegetated agricultural drainage ditch and vegetated constructed wetland systems studied would be effective in mitigating pesticide loadings introduced from either runoff or spray-drift, in turn lowering or eliminating potential pesticide associated toxic effects in receiving aquatic ecosystems. Data produced in this research provide important information to reduce insecticide risk in exposure assessment scenarios. It should be noted that incorporating these types of best management practices (BMPs) will decrease the risk of acute toxicity, but chronic exposure may still be an apparent overall risk.
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.
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.
Gel effect induced by mucilage in the pore space and consequences on soil physical properties
(2020)
Wasseraufnahme, Atmung und Exsudation sind biologische Schlüsselfunktionen der Wurzeln höherer Pflanzen. Sie steuern das Pflanzenwachstum, indem sie die biogeochemischen Parameter des Bodens in unmittelbarer Nähe der Wurzeln, der Rhizosphäre, verändern. Folglich sind Bodenprozesse wie beispielsweise Wasserflüsse, Kohlen- und Stickstoffaustausch oder mikrobielle Aktivitäten in der Rhizosphäre im Vergleich zu freiem Boden begünstigt. Insbesondere die Exsudation von Mucilage durch die Pflanzenwurzeln scheint ein wichtiger Mechanismus zu sein, um Trockenstress vorzubeugen. Durch diese gelartige Substanz wird bei negativen Wasserpotentialen sowohl der Bodenwassergehalt als auch die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit erhöht. Die Veränderung der Bodeneigenschaften durch Mucilage ist Gegenstand aktueller Forschung. Ein umfassendes Verständnis der Mechanismen im Porenraum der Rhizosphäre ist bisher allerdings noch unzureichend.
Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der Gel-Eigenschaften von Mucilage im Porenraum der Rhizosphäre, um Veränderungen der physiko-chemischen Eigenschaften der Rhizosphäre auf dieses interpartikuläre Mucilage zurückzuführen. Dabei stellten sich drei Herausforderungen: Zunächst einmal mangelte es an Methoden zur in situ Detektion von Mucilage im Boden. Außerdem fehlten detaillierte Kenntnisse bezüglich der Eigenschaften von interpartikulärem Mucilage. Desweiteren war die Beziehung zwischen der Zusammensetzung und den Eigenschaften von Modelsubstanzen und wurzelstämmigem Mucilage verschiedener Spezies unbekannt. Diese Fragen werden in den verschiedenen Kapiteln der Arbeit thematisiert.
Zunächst erfolgte eine Literaturrecherche, um Informationen aus verschiedenen Wissenschaftsbereichen über Methoden zur Charakterisierung von Gelen und Gel-Phasen im Boden zusammenzustellen. Die Änderung von Bodeneigenschaften aufgrund vorhandener Biohydrogelphasen im Boden kann als „Gel-Effekt“ bezeichnet werden. Die kombinierte Studie von Wassereinschlüssen in Gelen und Boden-Gel-Phasen mit der Untersuchung struktureller Eigenschaften von Boden hinsichtlich der mechanischen Stabilität und visueller Strukturen, zeigte sich als vielversprechend, um den Gel-Effekt im Boden zu charakterisieren.
Das erworbene methodische Wissen wurde in den nächsten Untersuchungen angewendet, um die Eigenschaften von interpartikulären Gelen zu detektieren und zu charakterisieren. 1H NMR Relaxometrie erlaubt die nicht-invasive Bestimmung der Wassermobilität in porösen Medien. Ein konzeptuelles Modell wurde aus Gleichungen entwickelt, welche die Proton-Relaxation in gelhaltigen porösen Medien beschreiben. Dieses Modell berücksichtigt den beschriebenen Gel-Effekt bei der Wahl der NMR Parameter und quantifiziert den Einfluss von Mucilage auf die Proton-Relaxation. Darüber hinaus wurde mithilfe von Rheometrie die Viskosität von Mucilage sowie die mikrostrukturelle Bodenstabilität bestimmt. Mittels Rasterelektronenmikroskopie wurde die Netzwerkstruktur von interpartikulärem Gel visualisiert. Die kombinierte Auswertung dieser Ergebnisse identifizierte drei wichtige Eigenschaften von interpartikulärem Gel: Der „Spinnennetz-Effekt“ schränkt die Dehnung der Polymerketten aufgrund der Verbindung zwischen dem Polymer Netzwerk und der Oberfläche von Bodenpartikeln ein. Der „Polymer-Netzwerk-Effekt“ veranschaulicht die Anordnung des Polymernetzwerks im Porenraum gemäß der räumliche Umgebung. Der „Mikroviskositäts-Effekt“ beschreibt die erhöhte Viskosität von interpartikulärem Gel im Vergleich zu freiem Gel. Die Auswirkungen dieser Eigenschaften auf die Wassermobilität und auf die mikrostrukturelle Stabilität des Bodens wurden untersucht und daraus resultierende Konsequenzen für hydraulische und mechanische Eigenschaften des Bodens diskutiert.
Der Einfluss von den chemischen Eigenschaften von Polymeren auf Gel-Bildungsmechanismen und Gel-Eigenschaften wurde untersucht. Dafür wurden Modelsubstanzen mit verschiedenen Uronsäure-Gehalt, Veresterungsgrade und Calcium-Gehalt getestet und die Menge an Materialanteil mit hohem Molekulargewicht quantifiziert. Die untersuchten Modelsubstanzen waren verschiedenen Pektin Polymeren und Chia Samen Mucilage. Darüber hinaus wurde Mucilage aus Winterweizen und Mais Wurzeln isoliert und untersucht. Polygalakturonsäure und Niedermethyliertes Pektin erwiesen sich als nicht geeignete Modelpolymere für Samen und Wurzelmucilage, da ionische Wechselwirkungen mit Calcium ihre Eigenschaften dominieren. Die dem Mucilage zuzurechnenden Eigenschaften scheinen eher durch schwache elektrostatische Wechselwirkungen zwischen verstrickten Polymerketten beherrscht zu sein. Die Menge an Material mit hohem Molekulargewicht variiert deutlich, abhängig von dem Ursprung des Mucilages. Dies scheint ein bedeutender Faktor für den Gel-Effekt von Mucilage im Boden zu sein. Zusätzlich zu der chemischen Charakterisierung der hochmolekulargewichtigen Polymere ist die exakte Bestimmung der Molekularmassen und der Konformation in verschiedenen Mucilagesorten notwendig, um Zusammensetzungs-Eigenschafts-Profile aufzeichnen zu können. Die Abweichungen zwischen den verschiedenen Mucilagestypen, welche sich durch die Messungen ergeben, haben die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen unterstrichen. Nur so lässt sich die Frage klären, wie die spezifischen Eigenschaften von verschiedenen Mucilagestypen auf die Bedürfnisse der Pflanze abgestimmt sind, der sie entstammen.
Schließlich wurde diskutiert, wie die Betrachtung von molekularen Wechselwirkungen im Gel und interpartikulären Gel-Eigenschaften das Verständnis über die physikalischen Eigenschaften der Rhizosphäre erweitert. Dieser Ansatz ist vielversprechend, um zum Beispiel der Wassergehalt oder die hydraulische Leitfähigkeit entsprechend die Eigenschaften vom exudierten Mucilage zu klären. Darüber hinaus liegt die Vermutung nahe, dass der Gel-Effekt allgemein für alle Bodenexsudate mit Gel-Charakter Gültigkeit besitzt. Eine Klassifizierung natürlicher Boden-Gel-Phasen einschließlich der von Wurzeln, Samen, Bakterien, Hyphen oder Regenwürmern exsudierten, gelartigen Materialien nach ihren gemeinsamen physiko-chemischen Gel-Eigenschaften wird für die zukünftige Forschung empfohlen. Als Ergebnis könnten die physiko-chemische Eigenschaften von solchen Gelen zum Gel-Effekt den Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften und den Funktionen von den Gelen im Boden zugeschrieben worden.
Biodiversity is not only threatened by habitat loss, climate change and pollution, but also by invasive species. The impact of introduced species is immense and causes substantial ecological and economical costs worldwide. With the start of domestications of the African wildcat (Felis lybica) in the Near East, the transport of house cats (Felis catus) around the world as a commensal and domesticate began. The general aim of my thesis was to investigate the impact of invasive feral cats on native species as well as underlying population genetic structures, diversity and phylogeography. This was studied in the context of the demographic history in Australia and Hawai'i. My studies confirmed that the main introductions of cats to Australia began in the 19th century via ships of European settlers, traders and workers. Similarly, I was able to confirm cat introductions to Hawai'i by European traders and explorers; which has to the present a devastating effect on Hawaiian endemic species. Likewise, cats are widespread across Australia, can be found on most islands and are recognized as one of the major threats to Australian native species. A selective feeding behaviour by invasive predators was found in one of my studies. This study additionally gives an indication for possible population recovery of small Western Australianrnvertebrate species after predator removal. Advancement and the combination of various management techniques allow, if adequately funded, a more efficient planning and implementation of eradication campaigns. Population genetic approaches are able to give insights into population genetic structure, diversity and kinship, thereby enabling management campaigns to be more cost effective and successful. No pattern of isolation by distance between populations of Hawai"i and Australia indicated that trade routes, such as the "Golden Round" of the maritime fur trade, facilitated a link between far off global cat populations. Multiple introductions to Australia and intermixing with domestic breed cats resulted in feral cat populations which showrnno signs of reduced genetic variability. My studies also revealed the advantages of bioproxies in combination with phylogeography, which enable the inference and reconstruction of introduction routes, history and origin of invasive species. Genetic signals of historically introduced genotypesrnare still discernible on islands with low number of introductions over time and thereby low intermixing with domestic fancy breeds. Feral cats' adaptability as an invader was reconfirmed and possible underlying genetic mechanisms enabling their success as a global invader ("global supercat") are discussed. Research into the feralisation process of cats will provide new information regarding the domestication of cats, the genetic basis of feralisation and allow additional insights into cats" adaptive potential.
Seit Jahrzehnten wird weltweit eine zunehmende Bedrohung der biologischen Vielfalt durch anthropogene Einflüsse beobachtet. Landschaften sind durch unterschiedliche Arten von anthro-pogenen Störungen geprägt. So vereinheitlichen großflächiger Ackerbau, die Pestizidanwen¬dung und das Entfernen von Korridoren eine Landschaft, wohingegen der Straßenbau sie fragmentiert. Beides führt zu einer Einschränkung von Habitaten und reduziert sowohl den Lebensraum als auch den Genpool der Arten, verhindert den Genfluss und verändert die funktionellen Eigenschaften. Zudem können gebietsfremde Arten in der veränderten Umwelt schneller Fuß fassen. Auf der anderen Seite machen in verschiedenen zeitlichen und räumlichen Dimensionen vorkommenden Störungen eine Landschaft auch vielfältiger, da sie Nischen kreieren, in denen verschiedene Arten koexistieren können.
Diese Studie befasst sich mit der Komplexität von Störungsregimes und dessen Auswirkungen auf die Phytodiversität. Durch die Aufnahme aller erkennbaren Störungstypen unterscheidet sie sich deutlich von anderen Studien, die sich meist nur auf einzelne Störungen konzentrieren. Die Daten stammen von drei Untersuchungsgebieten im Norden Bayerns, die unterschiedlichen Landnutzungsintensitäten unterliegen: Einer intensiven Land- und Forstwirtschaft, einer kleinräumigen und weniger intensiven Land- und Forstwirtschaft und einem aktiven Truppenübungsplatzes. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Auswirkung von Störungsregimen auf die Phytodiversität, zuerst mit Fokus auf militärische Störungen, dann im Vergleich mit den Agrarlandschaften. Der zweite Teil beleuchtet den Einfluss auf Rote-Liste Arten, auf die Verbreitung von Neophyten und Generalisten sowie auf die Homogenisierung der Landschaften. Die Analysen berücksichtigen sowohl die Landschafts- als auch die lokale Ebene.
Nicht einzelne Störungstypen spielten eine entscheidende Rolle, sondern deren Vielfalt, sowohl in der Art als auch in der räumlichen und zeitlichen Vielfalt, was sich besonders auf dem Truppenübungs¬platz mit seinem multiplen aber ungerichteten Störungsregime zeigte. Die in landwirtschaftlichen Gebieten typischen homogenen Störungsregimes, wie Pflügen, Einsäen und Düngen, führten zu reduzierten Artenzahlen. Auf lokaler Ebene überlagerte die Heterogenität der abiotischen Faktoren, deren Ursprung in rezenten und historischen Störungen liegt, die positiven Effekte der Störungen, während vor allem trockene und nährstoffarme Standorte negativen Einfluss zeigten. Wälder des Truppenübungsplatzes zeigten sich durch ihre geringere Dichte und moderate Nutzung deutlich artenreicher im Vergleich zu den landwirtschaftlichen Untersuchungsgebieten.
Die Anzahl der Rote-Liste Arten war in allen drei Untersuchungsgebieten positiv mit der Gesamtzahl der Arten korreliert, jedoch zeigte der Truppenübungsplatz eine signifikant höhere Abundanz der Arten innerhalb des gesamten Gebietes im Vergleich zu den landwirtschaftlichen Gebieten, wo seltene Arten überwiegend auf Randstandorten zu finden waren. Ebenso fanden sich dort weniger Neophyten und Generalisten und somit eine geringere Homogenisierung. Somit zeigte sich der Truppenübungsplatz als Idealgebiet aus Naturschutzsicht. Die moderat bewirtschaftete Frankenalb vereint eine hohen Artenzahl und eine Produktivität, trotzdem wird diese Art von Landschaft in der heutigen industrialisierten Zeit nicht von Bestand sein, da der Ertrag zu gering ist.
In the new epoch of Anthropocene, global freshwater resources are experiencing extensive degradation from a multitude of stressors. Consequently, freshwater ecosystems are threatened by a considerable loss of biodiversity as well as substantial decrease in adequate and secured freshwater supply for human usage, not only on local scales, but also on regional to global scales. Large scale assessments of human and ecological impacts of freshwater degradation enable an integrated freshwater management as well as complement small scale approaches. Geographic information systems (GIS) and spatial statistics (SS) have shown considerable potential in ecological and ecotoxicological research to quantify stressor impacts on humans and ecological entitles, and disentangle the relationships between drivers and ecological entities on large scales through an integrated spatial-ecological approach. However, integration of GIS and SS with ecological and ecotoxicological models are scarce and hence the large scale spatial picture of the extent and magnitude of freshwater stressors as well as their human and ecological impacts is still opaque. This Ph.D. thesis contributes novel GIS and SS tools as well as adapts and advances available spatial models and integrates them with ecological models to enable large scale human and ecological impacts identification from freshwater degradation. The main aim was to identify and quantify the effects of stressors, i.e climate change and trace metals, on the freshwater assemblage structure and trait composition, and human health, respectively, on large scales, i.e. European and Asian freshwater networks. The thesis starts with an introduction to the conceptual framework and objectives (chapter 1). It proceeds with outlining two novel open-source algorithms for quantification of the magnitude and effects of catchment scale stressors (chapter 2). The algorithms, i.e. jointly called ATRIC, automatically select an accumulation threshold for stream network extraction from digital elevation models (DEM) by assuring the highest concordance between DEM-derived and traditionally mapped stream networks. Moreover, they delineate catchments and upstream riparian corridors for given stream sampling points after snapping them to the DEM-derived stream network. ATRIC showed similar or better performance than the available comparable algorithms, and is capable of processing large scale datasets. It enables an integrated and transboundary management of freshwater resources by quantifying the magnitude of effects of catchment scale stressors. Spatially shifting temporal points (SSTP), outlined in chapter 3, estimates pooled within-time series (PTS) variograms by spatializing temporal data points and shifting them. Data were pooled by ensuring consistency of spatial structure and temporal stationarity within a time series, while pooling sufficient number of data points and increasing data density for a reliable variogram estimation. SSTP estimated PTS variograms showed higher precision than the available method. The method enables regional scale stressors quantification by filling spatial data gaps integrating temporal information in data scarce regions. In chapter 4, responses of the assumed climate-associated traits from six grouping features to 35 bioclimatic indices for five insect orders were compared, their potential for changing distribution pattern under future climate change was evaluated and the most influential climatic aspects were identified (chapter 4). Traits of temperature preference grouping feature and the insect order Ephemeroptera exhibited the strongest response to climate as well as the highest potential for changing distribution pattern, while seasonal radiation and moisture were the most influential climatic aspects that may drive a change in insect distribution pattern. The results contribute to the trait based freshwater monitoring and change prediction. In chapter 5, the concentrations of 10 trace metals in the drinking water sources were predicted and were compared with guideline values. In more than 53% of the total area of Pakistan, inhabited by more than 74 million people, the drinking water was predicted to be at risk from multiple trace metal contamination. The results inform freshwater management by identifying potential hot spots. The last chapter (6) synthesizes the results and provides a comprehensive discussion on the four studies and on their relevance for freshwater resources conservation and management.
Die Wechselwirkungen zwischen Polysacchariden und Wasser am Beispiel der Modellsubstanz Hyaluronan
(2013)
Die Wasseraufnahme von Polysacchariden wird derzeit intensiv erforscht. Wechselwirkungen zwischen Wasser und herkömmlichen oder modifizierten Polysacchariden und Polysaccharid-basierten Biokonjugaten bestimmen maßgeblich deren Funktionalität. Trotz intensiver Forschung gibt es weiterhin eine Reihe offener Fragen darüber, wie Wasser die Struktur der Polysaccharide beeinflusst und welche Konsequenzen das für ihre industrielle und medizinische Anwendung hat. Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Polysacchariden werden oft durch übereinanderliegende "Schichten" von Wasser verbildlicht, dessen physikalische Eigenschaften sich in Abhängigkeit vom Abstand zur Polysaccharid-Moleküloberfläche verändern.
In der vorliegenden Arbeit wurden solche "Wasserschichten" in dem Modell"Polysaccharid Hyaluronan (HYA), einem Natriumsalzsalz bestehend aus ß -1,4-Verknüpfungen der ß -1,3-verknüpften D-Glucuronsäure und des N-Acetyl-D-Glucosamins, untersucht. Mithilfe der Dynamischen Differenzkalorimetrie (engl.: Differential Scanning Calorimetry, DSC) können diese Wasserschichten hinsichtlich ihres Gefrierverhaltens unterschieden werden. Bei HYA-Molekülgewichten von 100 bis 740kDa betrug die Menge "nicht gefrierbaren" Wassers, d.h. von Wasser in unmittelbarer Nähe der HYA Molekülketten, 0.74gH2O/gHYA und bei einem Molekülgewicht von 139kDa betrug sie 0.84gH2O/gHYA. Die Menge von "gefrierbar gebundenem" Wasser, also des Anteiles, der zwar noch vom HYA Molekül beeinflusst wird, aber trotzdem gefrierbar ist, betrug zwischen 0.74 und 2gH2O/gHYA. Oberhalb dieses Wassergehaltes liegt nur "nicht gefrierbares" und "freies" Wasser vor, da die Schmelzenthalpie bei höheren Wassergehalten der von reinem Wasser entspricht. Die Charakterisierung der Wasserbindung durch die Bestimmung von Schmelzenthalpien unterliegt experimentellen Einschränkungen. Daher wurde ein neuer Ansatz basierend auf der Bestimmung von Verdampfungsenthalpien vorgeschlagen. Verdampfungsenthalpien von HYA unterhalb eines Wassergehaltes von 0.34gH2O/gHYA wiesen auf einen zusätzlichen möglicherweise exothermen Prozess hin, der auch in der protonierten Form des HYA beobachtet werden konnte.
Dieser Prozess wurde durch die Kissinger-Akahira-Sunose Methode bestätigt, die Bestimmung der tatsächlichen Verdampfungs und Desorptionsenthalpien des Wassers in allen Stadien des Verdampfungsprozesses erlaubt. Tatsächlich nahm die scheinbare Verdampfungsenthalpie bis zu einem Wassergehalt von 0.34gH2O/gHYA zu und sank dann wieder zu niedrigeren Werten ab, die allerdings immer noch deutlich über der Verdampfungsenthalpie von reinem Wasser lagen. Mithilfe von zeitlich aufgelöster Kernspinresonanz Technik (engl.: Time Domain Nuclear Magnetic Resonance, TD-NMR) wurde gezeigt, dass es sich bei besagtem Prozess um die Plastifizierung von HYA handelt.
Außerdem konnte das mithilfe der DSC bestimmte "nicht gefrierbare" Wasser in zwei weitere Fraktionen unterteilt werden. Ein Anteil von 15% dieses Wassers tritt direkt in Wechselwirkung mit den polaren funktionellen Gruppen und wird als "strukturell integriertes" Wasser bezeichnet und ein Anteil von 85% ist zwischen HYA Molekülketten eingebettet und wird als "strukturell eingeschränktes" Wasser bezeichnet. Da der Erweichungspunkt in der Nähe des Gleichgewichtswassergehalts liegt, bietet die er die Möglichkeit, die physikalische Struktur von HYA durch Trocknung zu beeinflussen. Dafür wurden drei Proben des ursprünglichen HYA unter unterschiedlichen Bedingungen getrocknet und ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Proben unterschieden sich in der Kinetik der erneuten Wasseraufnahme, im Glasübergangsverhalten und in ihrer Morphologie. Die Eigenschaften der Wasserfraktionen wurden in Lösungen mit 10"25 mg HYA/mL bestimmt. Feldzyklus-NMR (eng.: Fast-field-cycling FFC-NMR) Messungen zeigten drei Wasserfraktionen die mit dem Abstand zur HYA Moleküloberfläche abnehmende Korrelationszeiten zwischen 10"6 bis 10"10 s aufwiesen.
Außerdem wurde die Bildung schwacher relativ kurzlebiger Wasserbrücken zwischen den HYA Molekülketten beobachtet. Anders als für anorganische Elektrolyte, ist die Wasseraufnahme durch organische Polyelektrolyte ein dynamischer Prozess, der nicht nur die Analysetechnik und die experimentellen Bedingungen sondern auch die Konformation der Polyelektrolyte und deren thermische und Wassergehalts-Vorgeschichte widerspiegelt. Dadurch können einige Polysaccharidstrukturen nur durch Veränderung der Probenvorbereitung und ohne chemische Modifikationen verändert und Produkte mit spezifischen physiko-chemischen Eigenschaften gewonnen werden.
Synthetische Nanopartikel sind neuartige Schadstoffe. Aufgrund ihrer häufigeren Anwendung wird sich ihre Konzentration in der Umwelt in Zukunft voraussichtlich stark erhöhen. Die Untersuchung des Schicksals von synthetischen Kolloiden in der Umwelt erweist sich als schwierig, bedingt durch deren mögliche komplexe Wechselwirkungen mit den Bestandteilen aquatischer Systeme. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Lösungschemie. Insbesondere die Wechselwirkungen mit gelösten organischen Stoffen (DOM) sind bisher wenig verstanden.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, angepasste analytische Methoden zu entwickeln, um die Effekte von DOM auf das Schicksal synthetische Kolloide in der Umwelt zu untersuchen.rnEine Literaturrecherche über die Wechselwirkungen den DOM mit anorganischen Kolloiden hat ergeben, dass es einen Mangel an systematischen Charakterisierungen von Kolloiden und DOM in den meisten Studien gibt, obwohl diese wesentlich wäre. Des Weiteren wäre die Erforschung der Fraktionierung von DOM auf Kolloiden bedeutend sowie die Untersuchungen der Effekte von DOM auf die dynamische Struktur von Agglomeraten. Für die Charakterisierung von niedrigkonzentrierten Agglomeraten in Umweltmedien werden passende analytische Techniken benötigt. Solche Techniken müssen genau, spezifisch, artefaktfrei (minimale Probenvorbereitung) und matrixunabhängig bei niedrigen Konzentrationen sein. Keine der üblichen Methoden (Mikroskopie, Lichtstreuungsmethode, Trenntechnicken) erfüllt alle diese Voraussetzungen. Jedoch stellt die Hydrodynamische Chromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (HDC-ICP-MS) einen vielversprechenden Kompromiss dar. Mit dieser Methode kann die Größe von anorganischen Partikeln in komplexen Medien und in Konzentrationsbereichen unter ppb elementspezifisch gemessen werden. Allerdings wurden die Begrenzungen der Methode nicht systematisch untersucht.
Während dieser Doktorarbeit wurde das Potenzial dieser Methode weiter untersucht. Der einfache Trennmechanismus ermöglicht einen großen Spielraum für die Elutionsparameter und eine universelle Kalibrierung kann für Partikel mit unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlicher Oberflächenchemie angewendet werden. Eine schwache Auflösung der Partikelgröße sowie die Effekte der Partikelform auf den Retentionsfaktor stellen die wichtigsten Begrenzungen der Methode dar.rnDie Anwendung von HDC gekoppelt mit Einzelpartikel ICP-MS (HDC-SP-ICP-MS) bietet neue Möglichkeiten für die Partikelformerkennung und die Differenzierung zwischen primären Partikeln und Homoagglomeraten. Diese Kopplungstechnik ist deswegen hochattraktiv, um Effekte von DOM auf der Stabilität von Kolloiden zu untersuchen. Die Vielseitigkeit der HDC-ICP-MS konnte durch verschiedene erfolgreiche Anwendungen hervorgehoben werden. Insbesondere wurde sie genutzt, um die Stabilität von zitrat-stabilisierte Silberkolloiden in synthetischem Flusswasser unter Anwesenheit verschiedener Typen DOM zu untersuchen. Diese Partikel waren mehr als eine Stunde stabil unabhängig von pH und vom Typ der DOM. Dieses Ergebnis deckt sich mit den Ergebnissen einer parallel publizierten Studie über die Stabilität von Silberkolloiden in Rheinwasser. Die direkte Untersuchung von DOM-Adsorption auf Kolloiden war mit UV- und Fluoreszenzdetektoren nicht möglich. Vorversuche wiesen darauf hin, dass die fluoreszierenden Huminsaüremoleküle auf Silberkolloiden nicht adsorbieren. Lösungen für die verbleibenden Schwierigkeiten in der Analyse der Wechselwirkungen der DOM werden vorgeschlagen und die vielfältigen Entwicklungs- und Anwendungserspektiven von HDC-(SP)-ICP-MS in den Umweltwissenschaften werden im Detail diskutiert.
Aquatische Ökosysteme sind einer Vielzahl an Umweltstressoren sowie Mischungen chemischer Substanzen ausgesetzt, darunter Petroleum und Petrochemikalien, Metalle und Pestizide. Aquatische Gemeinschaften wirbelloser Arten werden als Bioindikatoren genutzt,
um Langzeit- sowie integrale Effekte aufzuzeigen. Die Information über das Vorkommen von Arten kann dabei um weitere Informationen zu Eigenschaften dieser Arten ergänzt werden.
SPEAR-Bioindikatoren fassen diese Informationen für Artengemeinschaften zusammen.
Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Spezifität von SPEAR-Indikatoren gegenüber
einzelnen Chemikaliengruppen zu verbessern – speziell für Ölsand-Bestandteile,
Kohlenwasserstoffe und Metalle.
Für die Entwicklung eines Bioindikators für diskontinuierliche Belastung mit organischen Ölbestandteilen wurde eine Freilandbeprobung in der kanadischen Ölsand-Abbauregion im nördlichen Alberta durchgeführt. Die Arteneigenschaften „physiologische Sensitivitiät
gegenüber organischen Chemikalien“ sowie „Generationszeit“ wurden in einem Indikator,
SPEARoil, integriert, welcher die Sensitivität der Artengemeinschaften gegenüber Ölsand-Belastung in Abhängigkeit von luktuierenden hydrologischen Bedingungen aufzeigt.
Äquivalent zum SPEARorganic-Ansatz wurde eine Rangliste der physiologischen Sensitivität einzelner Arten gegenüber Kohlenwasserstoff-Belastung durch Rohöl oder Petroleum
entwickelt. Hierfür wurden Informationen aus ökotoxikologischen Kurzzeit-Laborversuchen durch Ergebnisse aus Schnell- und Mesokosmen-Tests ergänzt. Die daraus entwickelten
Shydrocarbons-Sensitivitätswerte können in SPEAR-Bioindikatoren genutzt werden.
Um Metallbelastung in Gewässern mittels Bioindikatoren spezifisch nachweisen zu können,
wurden die Arteneigenschaften „physiologische Metallsensitivität“ und „Ernährungsweise“
von Artengemeinschaften in australischen Feldstudien ausgewertet. Sensitivitätswerte für
Metalle erklärten die Effekte auf die Artengemeinschaften im Gewässer jedoch unzureichend.
Die „Ernährungsweise“ hingegen war stark mit der Metallbelastung korreliert. Der Anteil räuberischer Invertebratenarten in einer Gemeinschaft kann daher als Indikator für Metallbelastung in Gewässern dienen.
Weiterhin wurden verschiedene Belastungsanzeiger für Chemikalien-Cocktails in der Umwelt anhand von Pestizid-Datensätzen verglichen. Belastungsanzeiger, die auf der 5%-Fraktion
einer Species-Sensitivity-Distribution beruhen, eigneten sich am besten, gefolgt von Toxic Unit-Ansätzen, die auf der sensitivsten Art einer Gemeinschaft oder Daphnia magna beruhen.
Leaf litter breakdown is a fundamental process in aquatic ecosystems, being mainly mediated by decomposer-detritivore systems that are composed of microbial decomposers and leaf-shredding, detritivorous invertebrates. The ecological integrity of these systems can, however, be disturbed, amongst others, by chemical stressors. Fungicides might pose a particular risk as they can have negative effects on the involved microbial decomposers but may also affect shredders via both waterborne toxicity and their diet; the latter by toxic effects due to dietary exposure as a result of fungicides’ accumulation on leaf material and by negatively affecting fungal leaf decomposers, on which shredders’ nutrition heavily relies. The primary aim of this thesis was therefore to provide an in-depth assessment of the ecotoxicological implications of fungicides in a model decomposer-detritivore system using a tiered experimental approach to investigate (1) waterborne toxicity in a model shredder, i.e., Gammarus fossarum, (2) structural and functional implications in leaf-associated microbial communities, and (3) the relative importance of waterborne and diet-related effects for the model shredder.
Additionally, knowledge gaps were tackled that were related to potential differences in the ecotoxicological impact of inorganic (also authorized for organic farming in large parts of the world) and organic fungicides, the mixture toxicity of these substances, the field-relevance of their effects, and the appropriateness of current environmental risk assessment (ERA).
In the course of this thesis, major differences in the effects of inorganic and organic fungicides on the model decomposer-detritivore system were uncovered; e.g., the palatability of leaves for G. fossarum was increased by inorganic fungicides but deteriorated by organic substances. Furthermore, non-additive action of fungicides was observed, rendering mixture effects of these substances hardly predictable. While the relative importance of the waterborne and diet-related effect pathway for the model shredder seems to depend on the fungicide group and the exposure concentration, it was demonstrated that neither path must be ignored due to additive action. Finally, it was shown that effects can be expected at field-relevant fungicide levels and that current ERA may provide insufficient protection for decomposer-detritivore systems. To safeguard aquatic ecosystem functioning, this thesis thus recommends including leaf-associated microbial communities and long-term feeding studies using detritus feeders in ERA testing schemes, and identifies several knowledge gaps whose filling seems mandatory to develop further reasonable refinements for fungicide ERA.