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Chemical plant protection is an essential element in integrated pest management and hence, in current crop production. The use of Plant Protection Products (PPPs) potentially involves ecological risk. This risk has to be characterised, assessed and managed.
For the coming years, an increasing need for agricultural products is expected. At the same time, preserving our natural resources and biodiversity per se is of equally fundamental importance. The relationship of our economic success and cultural progress to protecting the environment has been made plain in the Ecosystem Service concept. These distinct 'services' provide the foundation for defining ecological protection goals (Specific Protection Goals, SPGs) which can serve in the development of methods for ecological risk characterisation, assessment and management.
Ecological risk management (RM) of PPPs is a comprehensive process that includes different aspects and levels. RM is an implicit part of tiered risk assessment (RA) schemes and scenarios, yet RM also explicitly occurs as risk mitigation measures. At higher decision levels, RM takes further risks, besides ecological risk, into account (e.g., economic). Therefore, ecological risk characterisation can include RM (mitigation measures) and can be part of higher level RM decision-making in a broader Ecosystem Service context.
The aim of this thesis is to contribute to improved quantification of ecological risk as a basis for RA and RM. The initial general objective had been entitled as "… to estimate the spatial and temporal extent of exposure and effects…" and was found to be closely related to forthcoming SPGs with their defined 'Risk Dimension'.
An initial exploration of the regulatory framework of ecological RA and RM of PPPs and their use, carried out in the present thesis, emphasised the value of risk characterisation at landscape-scale. The landscape-scale provides the necessary and sufficient context, including abiotic and biotic processes, their interaction at different scales, as well as human activities. In particular, spatially (and temporally) explicit landscape-scale risk characterisation and RA can provide a direct basis for PPP-specific or generic RM. From the general need for tiered landscape-scale context in risk characterisation, specific requirements relevant to a landscape-scale model were developed in the present thesis, guided by the key objective of improved ecological risk quantification. In principle, for an adverse effect (Impact) to happen requires a sensitive species and life stage to co-occur with a significant exposure extent in space and time. Therefore, the quantification of the Probability of an Impact occurring is the basic requirement of the model. In a landscape-scale context, this means assessing the spatiotemporal distribution of species sensitivity and their potential exposure to the chemical.
The core functionality of the model should reflect the main problem structures in ecological risk characterisation, RA and RM, with particular relationship to SPGs, while being adaptable to specific RA problems. This resulted in the development of a modelling framework (Xplicit-Framework), realised in the present thesis. The Xplicit-Framework provides the core functionality for spatiotemporally explicit and probabilistic risk characterisation, together with interfaces to external models and services which are linked to the framework using specific adaptors (Associated-Models, e.g., exposure, eFate and effect models, or geodata services). From the Xplicit-Framework, and using Associated-Models, specific models are derived, adapted to RA problems (Xplicit-Models).
Xplicit-Models are capable of propagating variability (and uncertainty) of real-world agricultural and environmental conditions to exposure and effects using Monte Carlo methods and, hence, to introduce landscape-scale context to risk characterisation. Scale-dependencies play a key role in landscape-scale processes and were taken into account, e.g., in defining and sampling Probability Density Functions (PDFs). Likewise, evaluation of model outcome for risk characterisation is done at ecologically meaningful scales.
Xplicit-Models can be designed to explicitly address risk dimensions of SPGs. Their definition depends on the RA problem and tier. Thus, the Xplicit approach allows for stepwise introduction of landscape-scale context (factors and processes), e.g., starting at the definitions of current standard RA (lower-tier) levels by centring on a specific PPP use, while introducing real-world landscape factors driving risk. With its generic and modular design, the Xplicit-Framework can also be employed by taking an ecological entity-centric perspective. As the predictive power of landscape-scale risk characterisation increases, it is possible that Xplicit-Models become part of an explicit Ecosystem Services-oriented RM (e.g., cost/benefit level).
Aktuelle Schätzungen bestätigten, dass Binnengewässer eine erhebliche Menge Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sowohl auf regionaler Ebene, als auch global freisetzen. Jedoch basieren diese Schätzungen auf extrapolierten gemessenen Daten, ungenügender Auflösung der räumlich-zeitlichen Variabilität und es mangelt an Daten aus ariden und semi-ariden Gebieten, sowie den Kohlestoffquellen aus Kläranlagen.
Für die hier vorliegende Studie analysierten wir monatliche hydrologische und meteorologische Daten sowie Daten zur Wasserqualität von drei Stauseen aus dem Gebiet des unteren Jordans, die zur Trinkwassergewinnung und zur Bewässerung genutzt werden, und schätzten damit deren Emissionsrate an CO2 ab. Wir untersuchten den Effekt von Kläranlagen auf die umliegenden Gewässer im Hinblick auf CH4 und CO2-Emissionen indem wir saisonal aufgelöste Daten der Konzentration der beiden gelösten Gase in Kläranlagenauslässen und in Vorflutern von neun Kläranlagen in Deutschland analysierten. Mithilfe von Low-Cost-Methoden die die CO2-Transportrate und die Ausgasungsrate über Gasblasen messen, untersuchten wir die räumliche und zeitliche Variabilität der CH4 und CO2-Emissionen von aquatischen Süßwasser-Ökosystemen.
Unsere Schätzungen zeigen, dass Stauseen in semi-ariden Regionen CO2 übersättigt sind und somit CO2 an die Atmosphäre abgeben, also eine Netto-Quelle sind.
Die Größenordnung der beobachteten Transportraten der drei jordanischen Stauseen ist vergleichbar mit denen von tropischen Stauseen (3,3 g CO2 m-2 Tag-1). Die CO2-Emissionsrate ist abhängig von Änderungen der Wasseroberfläche, welche durch den Betrieb der Stauseen verursacht sind. Kläranlagen entlassen eine beachtlichen Menge an CH4 (30.9±40.7 kg Jahr-1) und CO2 (0.06±0.05 Gg Jahr-1) in ihre umgebenden Flüsse und Bäche. Deren Emissionsraten sind durch diese Einleitung der Kläranlagen um 1,2-fach für CH4 oder 8,6-fach für CO2 erhöht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl die diffusive als auch die Gasblasenemissionsrate räumlich und zeitlich variabel ist, weshalb beide Emissionsraten bei zukünftigen Studien auch in der nötigen Auflösung gemessen werden sollten.
Wir schlussfolgern, dass bei zukünftigen Emissionsmessungen und –schätzungen von Binnengewässern auch die Gewässerbewirtschaftung, die Kohlenstoffquelle von Kläranlagen und die räumliche und zeitliche Variabilität der Emissionen beachtet werden sollten.
By the work presented in this thesis, the CH4 emissions of the River Saar were quantified in space and time continuously and all relevant processes leading to the observed pattern were identified. The direct comparison between reservoir zones and free-flowing intermediate reaches revealed, that the reservoir zones are CH4 emission hot spots and emitted over 90% of the total CH4. On average, the reservoir zones emitted over 80 times more CH4 per square meter than the intermediate reaches between dams (0.23 vs. 19.7 mol CH4 m-2 d-1). The high emission rates measured in the reservoir zones fall into the range of emissions observed in tropical reservoirs. The main reason for this is the accumulation of thick organic rich sediments and we showed that the net sedimentation rate is an excellent proxy for estimating ebullitive emissions. Within the hot spot zones, the ebullitive flux enhanced also the diffusive surface emissions as well as the degassing emissions at dams.
To resolve the high temporal variability, we developed an autonomous instrument for continuous measurements of the ebullition rate over long periods (> 4 weeks). With this instrument we could quantify the variability and identify the relevant trigger mechanisms. At the Saar, ship-lock induces surges and ship waves were responsible for over 85% of all large ebullition events. This dataset was also used to determine the error associated with short sampling periods and we found that with sampling periods of 24 hours as used in other studies, the ebullition rates were systematically underestimated by ~50%. Measuring the temporal variability enabled us to build up a conceptual framework for estimating the temporal pattern of ebullition in other aquatic systems. With respect to the contribution of freshwater systems to the global CH4 emissions, hot spot emission sites in impounded rivers have the potential to increase the current global estimate by up to 7%.
Despite the significant presence of neuroactive substances in the environment, bioassays that allow to detect diverse groups of neuroactive mechanisms of action are not well developed and not properly integrated into environmental monitoring and chemical regulation. Therefore, there is a need to develop testing methods which are amenable for fast and high-throughput neurotoxicity testing. The overall goal of this thesis work is to develop a test method for the toxicological characterization and screening of neuroactive substances and their mixtures which could be used for prospective and diagnostic hazard assessment.
In this thesis, the behavior of zebrafish embryos was explored as a promising tool to distinguish between different neuroactive mechanisms of action. Recently, new behavioral tests have been developed including photomotor response (PMR), locomotor response (LMR) and spontaneous tail coiling (STC) tests. However, the experimental parameters of these tests lack consistency in protocols such as exposure time, imaging time, age of exposure, endpoint parameter etc. To understand how experimental parameters may influence the toxicological interpretation of behavior tests, a systematic review of existing behavioral assays was conducted in Chapter 2. Results show that exposure concentration and exposure duration highly influenced the comparability between different test methods and the spontaneous tail coiling (STC) test was selected for further testing based on its relative higher sensitivity and capacity to detect neuroactive substances (Chapter 2).
STC is the first observable motor activity generated by the developing neural network of the embryo which is assumed to occur as a result of the innervation of the muscle by the primary motor neurons. Therefore, STC could be a useful endpoint to detect effect on the muscle innervation and also the on the whole nervous system. Consequently, important parameters of the STC test were optimized and an automated workflow to evaluate the STC with the open access software KNIME® was developed (Chapter 3).
To appropriately interpret the observed effect of a single chemical and especially mixture effects, requires the understanding of toxicokinetics and biotransformation. Most importantly, the biotransformation capacity of zebrafish embryos might be limited and this could be a challenge for assessment of chemicals such as organophosphates which require a bioactivation step to effectively inhibit the acetylcholinesterase (AChE) enzyme. Therefore, the influence of the potential limited biotransformation on the toxicity pathway of a typical organophosphate, chlorpyrifos, was investigated in Chapter 5. Chlorpyrifos could not inhibit AChE and this was attributed to possible lack of biotransformation in 24 hpf embryos (Chapter 5).
Since neuroactive substances occur in the environment as mixtures, it is therefore more realistic to assess their combined effect rather than individually. Therefore, mixture toxicity was predicted using the concentration addition and independent action models. Result shows that mixtures of neuroactive substances with different mechanisms of action but similar effects can be predicted with concentration addition and independent action (Chapter 4). Apart
from being able to predict the combined effect of neuroactive substances for prospective risk assessment, it is also important to assess in retrospect the combined neurotoxic effect of environmental samples since neuroactive substances are the largest group of chemicals occurring in the environment. In Chapter 6, the STC test was found to be capable of detecting neurotoxic effects of a wastewater effluent sample. Hence, the STC test is proposed as an effect based tool for monitoring environmental acute and neurotoxic effects.
Overall, this thesis shows the utility and versatility of zebrafish embryo behavior testing for screening neuroactive substances and this allows to propose its use for prospective and diagnostic hazard assessment. This will enhance the move away from expensive and demanding animal testing. The information contained in this thesis is of great potential to provide precautionary solutions, not only for the exposure of humans to neuroactive chemicals but for the environment at large.
In einem ersten Schritt wurden Feldbeobachtungen durchgeführt um die räumliche und zeitliche Habitatbindung von Kleinkrebsen und Mückenlarven zu erforschen. Larven der Mückenart Ae.vexans entwickelten sich synchron mit der Kleinkrebsordnung Cyclopoida innerhalb einer Woche nach Entstehung eines Gewässers. Larven der Mückenart Cx.pipiens besiedeln dieselben Gewässer wie Cladocera, wobei letztere zeitlich verzögert auftraten. Das zeitliche Auftreten der Arten wurde durch die Biotopstruktur beeinflusst. Schilfbiotope beschleunigten die Entwicklung von Kleinkrebsen, wohingegen Gewässer auf Wiesenflächen schneller von Mückenlarven besiedelt wurden. In einem zweiten Schritt wurde untersucht, auf welche Weise Mückenlarven von Kleinkrebsen beeinflusst werden. In einem Mikrokosmen-Experiment zeigte sich, dass Kleinkrebse sowohl die Eiablage der Mückenart Cx.pipiens vermindern als auch die Entwicklung der Mückenlarven beeinträchtigen. Artgemeinschaften mit hoher Artdiversität, bestehend aus verschiedenen räuberischen und filtrierenden Kleinkrebsen, reduzierten Mückenpopulationen effektiver als Artgemeinschaften mit geringer Artdiversität. Die Anwesenheit diverse Krebsgemeinschaften bewirkte zudem, dass Bti bereits in geringerer Dosierung einen Effekt erzielte und Cx.pipiens Larven längere Zeit benötigten, um ein Gewässer nach der Behandlung durch Bti wieder zu besiedeln. In einem letzten Schritt wurde der kombinierte Einsatz von Bti und Kleinkrebsen unter Freilandbedingungen erprobt. Die Kombination aus Bti und Kleinkrebsen reduzierte die Anzahl der Mückenlarven (Cx.pipiens) über den gesamten Beobachtungszeitraum hinweg. Die alleinige Ausbringung von Bti bewirkte nur eine kurzfristige Reduktion der Mückenlarve, während die Ausbringung von Kleinkrebsen keinen Effekt erzielte. Die Anwesenheit der Mückenlarven verhinderte eine ausreichende Vermehrung der Kleinkrebse, während im kombinierten Ansatz die Mückenlarven kurzzeitig durch das Bti eliminiert wurden, was die Entwicklung der eingesetzten Kleinkrebse begünstigte. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass sowohl räuberische als auch filtrierende Kleinkrebse einen starken negativen Effekt auf Mückenlarven ausüben. Allerdings muss ein Zeitraum von ca. 2 Wochen überbrückt werden, bis sich eine ausreichend starke Artgemeinschaft aus Kleinkrebsen etabliert hat. Der Einsatz von Kleinkrebsen in Kombination mit dem Insektizid Bti erweist sich als vielversprechend und könnte in Zukunft dazu beitragen, Mücken effektiv und nachhaltig zu kontrollieren.
The role of alternative resources for pollinators and aphid predators in agricultural landscapes
(2021)
Der Verlust zahlreicher Insekten wird weitgehend in Verbindung gebracht mit dem Verlust von natürlichem und halbnatürlichem Lebensraum durch intensivierte Landnutzung. Viele Insekten liefern wichtige Ökosystemleistungen an die Landwirtschaft wie z.B. Bestäubung und Schädlingsbekämpfung. Um diese Insekten effizient auf den verbleibenden halbnatürlichen Flächen zu fördern, ist genaues Wissen über ihre Ansprüche an das Umland von Agrarflächen erforderlich. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Suche nach den wichtigsten halbnatürlichen Habitattypen (Waldrand, Wiesen und halb-offene Habitate) zur Förderung von Nützlingen und Bestäubern aufgrund der Bedeutung von Nahrungsressourcen, welche sie dort nutzen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Blütenressourcen und wie diese räumlich und zeitlich im Kulturland verteilt sind. Darauf basierte Ressourcenkarten versprechen eine Charakterisierung der Landschaft, welche der Relevanz für Insekten näher kommt als klassische Habitatkarten. In dieser These wurde deshalb verglichen, ob sich das Vorkommen von Wildbienen, sowie Nektar und Pollen konsumierenden Nützlingen besser mit klassischen Habitatkarten, oder mit Ressourcenkarten vorhersagen lässt und identifizierte Habitate besonderer Wichtigkeit. Bei Wildbienen wurde untersucht, inwiefern sich Präferenzen verschiedener Gruppen von Wildbienen unterscheiden und ob es zeitliche und räumliche Zusammensetzungen von Blühressourcen gibt, die besonders optimal sind. Da sich Nützlinge nebst der Nutzung von Blüten vor allem räuberisch ernähren, wurde des Weiteren deren Beutespektrum untersucht. Dazu wurde der Darminhalt von Marienkäfern mit genetischen Methoden mittels High Throughput Sequencing auf konsumierte Blattläuse analysiert.
Blütenbasierte Ressourcenkarten sagten Bienen besser voraus als klassische Habitatkarten. Der Waldrand war dabei von besonderer Bedeutung. Sowohl Flächenanteil als auch Blühangebot hatten positive Einflüsse auf Abundanz und Artenreichtum von wichtigen Kulturbestäubern und seltenen Arten. Ähnliche Muster zeigten sich für Wiesendiversität. Dabei schien besonders das frühe Blühangebot einen positiven Einfluss auf Wildbienen zu haben. Kulturen und Obstbäume verursachten im April einen Blütenpuls, der das Blühangebot vom Mai und Juni um mehr als das Zehnfache überstieg. Waldränder boten besonders Anfang Mai und im Juni ein Blühangebot, das im Verhältnis zur Fläche die weitaus höchste Dichte aufwies. Das Blühangebot von Wiesen war äusserst gering, zeigte aber die höchste Diversität, welche regelmässig über die Saison verteilt war.
Obwohl die untersuchten Nützlinge Blüten fürs Überleben benötigen, waren blütenbasierte Habitatkarten weniger geeignet, um die Nützlingsabundanz zu erklären, als herkömmliche Habitatkarten. Diese zeigten, dass Waldränder von besonderer Bedeutung für Nützlinge sind. Die Anzahl der Nützlinge wiederum führte zur Unterdrückung von Blattläusen. Die Resultate der Darmuntersuchungen zeigten zum einen, dass Marienkäfer einen relativ hohen Anteil an schädlichen Blattlausarten und Brennesselblattläusen konsumieren, zum anderen zeigen sie, dass mit Klebfallen gefangene Marienkäfer einen wesentlich breiteren Einblick in das Beutespektrum erlauben, als von Hand gesammelt. Der zu diesem Zweck entwickelte Blattlausprimer wird für kommende Studien bei der Identifizierung der Blattlausbeute von Marienkäfern hilfreich sein.
Unsere Resultate zeigen, dass Blütenkarten einen wichtigen Mehrwert für die Vorhersage von Wildbienen haben, nicht aber von Nützlingen, da für diese wohl andere Habitatfaktoren zusätzlich limitierend wirken. Der positive Einfluss von Waldrändern für unterschiedliche Gruppen von Wildbienen wie auch für Nützlinge und ihre Leistung als Schädlingsbekämpfer ist besonders hervorzuheben.
Grünland in Europa wurde über die Jahrhunderte hinweg durch steigende Intensivierung der Landnutzung geprägt. Die agrarischen Veränderungen und Weiterentwicklungen formten und veränderten die Biodiversität und führten letztlich zu massivem Artenrückgang. Heutzutage ist davon auszugehen, dass die planetare Belastungsgrenze für die globale Biodiversität und insbesondere die Biodiversität von Grünland bereits erreicht wurde. Politische Entscheidungsträger und Umweltschützer suchen daher Maßnahmen, die den agrarökonomischen Zweck der Biomasseproduktion mit dem Schutz und Erhalt von Biodiversität sowie der Aufrechterhaltung von Ökosystemprozessen vereinen. In früheren Zeiten und insbesondere vor der Einführung mineralischer Stickstoffdünger war Landnutzung im Wesentlichen von den strukturellen Gegebenheiten der Landschaft abhängig. Die Entwicklung regionalspezifischer Bewirtschaftungsmaßnahmen förderte durch die Schaffung von Habitaten für speziell angepasste Arten und Artenzusammensetzungen eine hohe Diversität auf Landschaftsebene.
Staubewässerung war seit dem frühen Mittelalter bis ins 20. Jahrhundert eine europaweit verbreitete Bewirtschaftungsmaßnahme zur Ertragssteigerung. Diese Form der Bewässerung, bei der angrenzende Flüsse systematisch aufgestaut werden, um das Wasser in die Wiesen zu leiten und durch im Wasser geführte Sedimente einen Düngeeffekt hervorzurufen, war typisch für Wiesenbewirtschaftung im Flachland. Abhängig von den strukturellen Gegebenheiten wurden regionaltypische Abwandlungen der Bewässerungssysteme entwickelt und prägten somit die Flora und Fauna dieser sogenannten Wässerwiesen. Mineralische Dünger machten diese arbeitsintensive Bewirtschaftungsform weitestgehend unprofitabel, sodass diese heutzutage nur noch in wenigen Regionen reliktartig als Tradition erhalten blieb.
In den Queichwiesen nahe Landau in der Pfalz wird mit zwischenzeitlichen Unterbrechungen seit dem 15. Jahrhundert traditionelle Staubewässerung betrieben. Die vorliegende Studie nutzte die Queichwiesen als Modellregion, um sowohl Langzeit- als auch Kurzzeiteffekte der Staubewässerung auf die Biodiversität und Nährstoffverfügbarkeit zu
untersuchen. In einer umfassenden Vegetationskartierung konnten wir einen positiven Effekt der Bewässerung auf die Diversität sowohl auf lokaler als auch auf Landschaftsebeneverzeichnen. Eine höhere strukturelle Vielfalt durch die Förderung niedrigwüchsiger Arten legt zwar einen positiven Effekt auf die Diversität von Arthropoden (Orthodoptera, Carabidae, Spinnen) nahe, dieser konnte jedoch nicht gefunden werden. Nichtsdestotrotz zeigten sich die bewässerten Wiesen als ökologisch bedeutsames Habitat für Arthropodenarten feuchter Biotope. In einem kombinierten Labor- und Feldexperiment untersuchten wir die Veränderung der Nährstoffverfügbarkeit durch Bewässerung. Zwar ist heutzutage nicht mehr von einem
direkten Düngeeffekt durch im Wasser geführte Schlacken auszugehen, aber dennoch zeigte sich ein indirekter Düngeeffekt der Bewässerung durch eine kurzzeitig stark erhöhte Pflanzenverfügbarkeit von Makro- und Mikronährstoffen. Die Ausprägung dieses Nährstoffpeaks und somit die Ausnutzung des sekundären Düngeeffekts zeigte eine graduelle Abhängigkeit auf Artebene, die eine spezifische Vegetationsentwicklung durch die Bewässerung untermauern. Diese Resultate legen daher nahe, dass Staubewässerung von Wiesen eine extensive Bewirtschaftungsform ist, die Biodiversität auf verschiedenen Skalenebenen fördert und gleichzeitig den Einsatz von Düngern reduzieren kann. Die Abstimmung von Düngung und Bewässerung bedarf jedoch der lokalspezifischen Evaluation abiotischer und biotischer Gegebenheiten.
Aquatic macrophytes can contribute to the retention of organic contaminants in streams, whereas knowledge on the dynamics and the interaction of the determining processes is very limited. The objective of the present study was thus to assess how aquatic macrophytes influence the distribution and the fate of organic contaminants in small vegetated streams. In a first study that was performed in vegetated stream mesocosms, the peak reductions of five compounds were significantly higher in four vegetated stream mesocosms compared to a stream mesocosm without vegetation. Compound specific sorption to macrophytes was determined, the mass retention in the vegetated streams, however, did not explain the relationship between the mitigation of contaminant peaks and macrophyte coverage. A subsequent mesocosm study revealed that the mitigation of peak concentrations in the stream mesocosms was governed by two fundamentally different processes: dispersion and sorption. Again, the reductions of the peak concentrations of three different compounds were in the same order of magnitude in a sparsely and a densely vegetated stream mesocosm, respectively, but higher compared to an unvegetated stream mesocosm. The mitigation of the peak reduction in the sparsely vegetated stream mesocosm was found to be fostered by longitudinal dispersion as a result of the spatial distribution of the macrophytes in the aqueous phase. The peak reduction attributable to longitudinal dispersion was, however, reduced in the densely vegetated stream mesocosm, which was compensated by compound-specific but time-limited and reversible sorption to macrophytes. The observations on the reversibility of sorption processes were subsequently confirmed by laboratory experiments. The experiments revealed that sorption to macrophytes lead to compound specific elimination from the aqueous phase during the presence of transient contaminant peaks in streams. After all, these sorption processes were found to be fully reversible, which results in the release of the primarily adsorbed compounds, once the concentrations in the aqueous phase starts to decrease. Nevertheless, the results of the present thesis demonstrate that the processes governing the mitigation of contaminant loads in streams are fundamentally different to those already described for non-flowing systems. In addition, the present thesis provides knowledge on how the interaction of macrophyte-induced processes in streams contributes to mitigate loads of organic contaminants and the related risk for aquatic environments.
Pelagic oxyclines, the transition zone between oxygen rich surface waters and oxygen depleted deep waters, are a common characteristic of eutrophic lakes during summer stratification. They can have tremendous effects on the biodiversity and the ecosystem functioning of lakes and, to add insult to injury, are expected to become more frequent and more pronounced as climate warming progresses. On these grounds, this thesis endeavors to advance the understanding of formation, persistence, and consequences of pelagic oxyclines: We test, whether the formation of metalimnetic oxygen minima is intrinsically tied to a locally enhanced oxygen consuming process, investigate the relative importance of vertical physical oxygen transport and biochemical oxygen consumption for the persistence of pelagic oxyclines, and finally assess their potential consequences for whole lake cycling. To pursue these objectives, the present thesis nearly exclusively resorts to in situ measurements. Field campaigns were conducted at three lakes in Germany featuring different types of oxyclines and resolved either a short (hours to days) or a long (weeks to months) time scale. Measurements comprised temperature, current velocity, and concentrations of oxygen and reduced substances in high temporal and vertical resolution. Additionally, vertical transport was estimated by applying the eddy correlation technique within the pelagic region for the first time. The thesis revealed, that the formation of metalimnetic oxygen minima does not necessarily depend on locally enhanced oxygen depletion, but can solely result from gradients and curvatures of oxygen concentration and depletion and their relative position to each other. Physical oxygen transport was found to be relevant for oxycline persistence when it considerably postponed anoxia on a long time scale. However, its influence on oxygen dynamics was minor on short time scales, although mixing and transport were highly variable. Biochemical consumption always dominated the fate of oxygen in pelagic oxyclines. It was primarily determined by the oxidative breakdown of organic matter originating from the epilimnion, whereas in meromictic lakes, the oxidation of reduced substances dominated. Beyond that, the results of the thesis emphasize that pelagic oxyclines can be a hotspot of mineralization and, hence, short-circuit carbon and nutrient cycling in the upper part of the water column. Overall, the present thesis highlights the importance of considering physical transport as well as biochemical cycling in future studies.
Die heutige Landwirtschaft ist in hohem Maße auf den Einsatz von Pestiziden angewiesen, um verschiedene Schädlinge zu bekämpfen und die Ernteerträge zu maximieren. Trotz detaillierter Vorschriften für den Einsatz von Pestiziden, die auf einem komplexen System der Risikobewertung beruhen, hat sich gezeigt, dass der weit verbreitete Einsatz dieser biologisch aktiven Substanzen eine Gefahr für die Umwelt darstellt. In Oberflächengewässern wurde beobachtet, dass die Pestizidbelastung die als noch umweltverträglich angesehenen Konzentrationen übersteigt und sich negativ auf die Ökologie der Fließgewässer auswirkt, was die Frage aufwirft, ob die derzeitige Risikobewertung einen nachhaltigen Einsatz von Pestiziden gewährleistet. Um diese Frage zu beantworten, hat das umfassende "Kleingewässer-Monitoring" (KgM) in den Jahren 2018 und 2019 das Vorkommen von Pestiziden und die damit verbundenen ökologischen Auswirkungen in 124 Fließgewässern in ganz Deutschland untersucht.
Basierend auf fünf wissenschaftlichen Publikationen, die aus dem KgM hervorgegangen sind, werden in dieser Arbeit die Pestizidbelastung in Fließgewässern, die ökologischen Auswirkungen und die regulatorischen Implikationen bewertet. Mehr als 1000 Wasserproben wurden auf über 100 Pestizid-Analyten untersucht, um das Vorkommen zu charakterisieren (Publikation 1). Die gemessenen Konzentrationen und Auswirkungen wurden zur Validierung der in der Risikobewertung vorhergesagten Umweltkonzentrationen und Wirkungschwellen verwendet (Veröffentlichung 2). Durch die gemeinsame Analyse von realen Pestizidanwendungsdaten und gemessenen Pestizidmischungen in Fließgewässern wurde die Missachtung von Pestizidmischungen in der Umwelt in der Risikobewertung beurteilt (Veröffentlichung 3). Das Risikopotenzial von Mischungen in Fließgewässern wurde zusätzlich mit Hilfe eines Verdachtsscreenings für 395 Chemikalien und einer Batterie von In-vitro-Bioassays untersucht (Publikation 4). Schließlich wurden die Ergebnisse des KgM verwendet, um die Eignung staatlicher Monitoringprogramme zur Identifizierung von Pestizidrisiken in Oberflächengewässern zu bewerten (Publikation 5).
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das weit verbreitete Vorkommen von Pestiziden in den Nichtzielökosystemen der Fließgewässer. Die Wasserproben wiesen eine Vielzahl von Pestiziden auf, die in komplexen Mischungen vor allem in kurzzeitigen Spitzenwerten nach Niederschlagsereignissen auftraten (Veröffentlichungen 1 & 4). Die jeweiligen Höchstwerte der Pestizidkonzentration wurden mit dem Rückgang empfindlicher Wirbellosenarten in Verbindung gebracht und überstiegen in etwa 80 % der landwirtschaftlich geprägten Fließgewässer die gesetzlich zulässigen Konzentrationen, welche als Schwellenwerte zum Teil noch als unzureichend für den Schutz der Wirbellosengemeinschaft angesehen wurden (Publikation 2). Das gleichzeitige Vorkommen von Pestiziden in Fließgewässern führte zu einem Risiko, das in der auf eine einzelne Substanzen ausgerichteten Risikobewertung in realistischen Worst-Case-Szenarien um einen Faktor von etwa 3,2 unterschätzt wurde. Dies wird durch die hohe Häufigkeit, mit der Nichtzielorganismen den Pestiziden ausgesetzt sind, weiter verstärkt (Veröffentlichung 3). Wasserproben, die nach Regenfällen entnommen wurden, verursachten in den Bioassays deutliche Effekte, die nur zu einem geringen Teil durch die vielen detektierten Analyten erklärbar waren, was auf die Relevanz unbekannter chemischer oder biologischer Mischungskomponenten hinweist (Publikation 4). Schließlich wurde festgestellt, dass die behördliche Überwachung von Oberflächengewässern gemäß der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) die Risiken von Pestiziden erheblich unterschätzt, da hier etwa drei Viertel der kritischen Pestizide und mehr als die Hälfte der gefährdeten Gewässer übersehen worden wären (Veröffentlichung 5).
Im Wesentlichen liefert diese Arbeit eine neue Ebene der Validierung der Risikobewertung von Pestiziden in aquatischen Ökosystemen, indem das Auftreten von Pestiziden und ihre Auswirkungen auf die Umwelt in einem bisher einzigartigen Maßstab bewertet werden. Die Ergebnisse zeigen generell, dass der derzeitige landwirtschaftliche Einsatz von Pestiziden zu erheblichen Auswirkungen auf die Fließgewässerökologie führt, die über das von der Risikobewertung tolerierte Maß hinausgehen. In dieser Arbeit wurden die Unterschätzung der Pestizidexposition, die potenzielle Unzulänglichkeit der gesetzlichen Schwellenwerte und die allgemeine Trägheit des Zulassungsverfahrens als Hauptursachen dafür ermittelt, dass entsprechende gesetzlich verankerte, ökologische Zielsetzungen momentan erwiesenermaßen nicht erreicht werden. Um einen nachhaltigen Einsatz von Pestiziden zu gewährleisten, schlägt die Arbeit wesentliche Änderungen der Risikobewertung vor. Monitoringprogramme wie das KgM, die über die derzeitigen staatlichen Überwachungsbemühungen hinausgehen, werden weiterhin erforderlich sein, um die Regulierungsbehörden für Pestizide ständig über die Gültigkeit ihrer prospektiven Risikobewertung zu informieren, die immer mit Unsicherheiten behaftet sein wird.
Statistical eco(-toxico)logy
(2017)
Freshwaters are of immense importance for human well-being.
Nevertheless, they are currently facing unprecedented levels of threat from habitat loss and degradation, overexploitation, invasive species and
pollution.
To prevent risks to aquatic ecosystems, chemical substances, like agricultural pesticides, have to pass environmental risk assessment (ERA) before entering the market.
Concurrently, large-scale environmental monitoring is used for surveillance of biological and chemical conditions in freshwaters.
This thesis examines statistical methods currently used in ERA.
Moreover, it presents a national-scale compilation of chemical monitoring data, an analysis of drivers and dynamics of chemical pollution in streams and, provides a large-scale risk assessment by combination with results from ERA.
Additionally, software tools have been developed to integrate different datasets used in ERA.
The thesis starts with a brief introduction to ERA and environmental monitoring and gives an overview of the objectives of the thesis.
Chapter 2 addresses experimental setups and their statistical analyses using simulations.
The results show that current designs exhibit unacceptably low statistical power, that statistical methods chosen to fit the type of data provide higher power and that statistical practices in ERA need to be revised.
In chapter 3 we compiled all available pesticide monitoring data from Germany.
Hereby, we focused on small streams, similar to those considered in ERA and used threshold concentrations derived during ERA for a large-scale assessment of threats to freshwaters from pesticides.
This compilation resulted in the most comprehensive dataset on pesticide exposure currently available for Germany.
Using state-of-the-art statistical techniques, that explicitly take the limits of quantification into account, we demonstrate that 25% of small streams are at threat from pesticides.
In particular neonicotinoid pesticides are responsible for these threats.
These are associated with agricultural intensity and can be detected even at low levels of agricultural use.
Moreover, our results indicated that current monitoring underestimates pesticide risks, because of a sampling decoupled from precipitation events.
Additionally, we provide a first large-scale study of annual pesticide exposure dynamics.
Chapters 4 and 5 describe software solutions to simplify and accelerate the integration of data from ERA, environmental monitoring and ecotoxicology that is indispensable for the development of landscape-level risk assessment.
Overall, this thesis contributes to the emerging discipline of statistical ecotoxicology and shows that pesticides pose a large-scale threat to small streams.
Environmental monitoring can provide a post-authorisation feedback to ERA.
However, to protect freshwater ecosystems ERA and environmental monitoring need to be further refined and we provide software solutions to utilise existing data for this purpose.
Wildbienen sind unerlässlich für die Bestäubung von Wild- und Kulturpflanzen. Die zunehmende Intensivierung der Landwirtschaft führte jedoch sowohl zu einer Verringerung und Fragmentierung als auch zu einer Wertminderung der von ihnen benötigten Lebensräume innerhalb der letzten Jahrzehnte. Die damit einhergehenden Verluste von Bestäubern und ihrer Bestäubung stellt die weltweite Nahrungsmittelproduktion vor eine immense Herausforderung. Zur Förderung von Wildbienen ist die Verfügbarkeit von Blüteressourcen essentiell. Die Blühdauer einzelner Ressourcen ist jedoch zeitlich begrenzt und hat, je nach Blütezeitpunkt, unterschiedliche Effekte auf Bestäuber und deren Bestäubung.
Um Wildbienen als Bestäuber in Agrarlandschaften effizient fördern und nutzen zu können, identifizierten wir deshalb die artspezifischen Schlüsselressourcen dreier ausgewählter Wildbienen und deren räumliche und zeitliche Verfügbarkeit (KAPITEL 2, 3 & 4). Wir untersuchten, welche Habitatstypen diese Ressourcen überwiegend bereitstellen (KAPITEL 3 & 4). Wir untersuchten zudem, ob Blütenressourcenkarten, die auf der Nutzung dieser Schlüsselressourcen und deren räumlich zeitlicher Verfügbarkeit basieren, die Abundanzen und die Entwicklung der ausgewählten Wildbienen (KAPITEL 3 & 4) und die Bestäubung (KAPITEL 5) besser erklären als Habitatkarten, die die Verfügbarkeit von Blüteressourcen nur indirekt beschreiben.
Für jede der untersuchten Arten konnten wir unterschiedliche, im frühen Saisonverlauf (April/Mai) überwiegend holzige im späteren Verlauf (Juni/Juli) auch zunehmend krautige, Schlüsselarten identifizieren (KAPITEL 2, 3 & 4). Die Wildobst- und Wildheckengehölze unserer Agrarlandschaften stellten rund 75% der Blütenressourcen für Erdhummeln, 60% für Rote Mauerbienen und 55% für Gehörnte Mauerbienen bereit, obwohl sie einen Flächenanteil von nur 3% ausmachten (KAPITEL 3 & 4). Obstplantagen stellten zusätzlich rund 35% des Blütenangebots für Gehörnte Mauerbienen auf 4% der Fläche bereit (KAPITEL 3). Wir konnten zeigen, dass beide Mauerbienenarten von der Ressourcenverfügbarkeit in den umliegenden Landschaften profitierten (KAPITEL 3). Bei Erdhummeln zeigte sich dieser Zusammenhang jedoch nicht (KAPITEL 4). Stattdessen waren die Gewichtszunahme ihrer Kolonien, die Anzahlen der darin ausgebildeten Königinnenzellen und die Überlebensdauer der Kolonie mit zunehmender Nähe zum Wald höher. Ebenfalls auf die beiden Mauerbienenarten wirkte sich die Waldnähe positiv aus (KAPITEL 3). Daneben profitierten Rote Mauerbienen durch krautige halbnatürliche Habitate. Nachteilig wirkten sich Siedlungsflächen auf die Gehörnten Mauerbienen, und Ackerland auf die Roten Mauerbienen aus. Habitatkarten erklärten die Abundanzen der Gehörnten Mauerbienen gleich gut wie Blütenressourcenkarten, jedoch wurden die Abundanzen der Roten Mauerbienen deutlich besser durch Schlüsselressourcen erklärt. Die Bestäubung der Ackerbohne erhöhte sich mit höheren Anteilen früher Blütenressourcen (KAPITEL 5). Dabei zeigte sich keine messbare Reduktion der Bestäubung durch gleichzeitig blühende Ressourcen. Habitatkarten erklärten die Bestäubung der Ackerbohne auch besser als Blütenressourcenkarten. Dabei nahm die Bestäubung mit zunehmenden Anteilen an Siedlungsflächen in den Landschaften zu und reduzierte sich mit zunehmenden Anteilen von Ackerland.
Unsere Ergebnisse verdeutlichen die Wichtigkeit der räumlich-zeitlichen Verfügbarkeit bestimmter Schlüsselarten als Ressourcenpflanzen von Wildbienen in Agrarlandschaften. Sie zeigen, dass Habitatkarten detaillierten Blütenressourcenkarten in der Vorhersage der Entwicklung von Wildbienen und deren Bestäubung voraus oder zumindest ebenbürtig sind. Dennoch ermöglichen es
Blütenressourcenkarten, genauere Schlüsse zwischen den einzelnen Ressourcen und den untersuchten Organismen zu ziehen. Die Nähe zu Waldrändern wirkte sich positiv auf jede der drei untersuchten Wildbienenarten aus. Neben der reinen Nahrungsverfügbarkeit scheinen jedoch weitere Faktoren das Vorkommen von Wildbienen in Agrarlandschaften mitzubestimmen.
Die Organische Bodensubstanz (OBS) nimmt eine Schlüsselrolle in der Sequestrierung organischer Moleküle und damit in der Regulierung ihrer Mobilität in Böden ein. Sie besteht aus Molekülen, die durch supramolekulare Wechselwirkungen strukturiert sind und dynamisch auf Umweltfaktoren und andere Moleküle reagieren können. Der Einfluss von Sorbateigenschaften und supramolekularer Struktur der OBS und deren Dynamik auf Sorptionsprozesse an der OBS ist bisher nur begrenzt verstanden. Ein Beispiel für das dynamische Verhalten der OBS ist deren physikochemische Alterung, die zu Umstrukturierungen in der OBS-Matrix führt. Dieser liegt die Bildung von Wassermolekülbrücken (WaMB) zwischen funktionellen Gruppen einzelner Molekülsegmente zugrunde. Da die WaMB die Struktur der OBS und ihre Stabilität wesentlich beeinflussen, wird davon ausgegangen, dass diese zur Sequestrierung von organischen Molekülen in der OBS beitragen. Diese Hypothese wurde jedoch noch nicht experimentell überprüft. Bisheriges Wissen darüber, wie organische Moleküle die Eigenschaften von WaMB beeinflussen, basiert weitestgehend auf Computermodellierungen. Da unbekannt ist, wie Moleküle, die in die OBS eindringen, deren physikalische Phasen beeinflussen, bedürfen insbesondere die vermuteten Wechselwirkungen zwischen organischen Molekülen und aliphatischen kristallinen Phasen unbedingt einer experimentellen Überprüfung.
Dazu wurden in dieser Arbeit die folgenden Hypothesen experimentell getestet. 1) Analog zu kristallinen Phasen in synthetischen Polymeren können aliphatische Kristallite in der OBS nicht von organischen Molekülen durchdrungen werden. 2) Die Stabilität von WaMB wird durch die Fähigkeit, der sie umgebenden Moleküle mit Wassermolekülen zu interagieren, bestimmt. 3) WaMB können verhindern, dass organische Moleküle die OBS-Matrix verlassen und tragen dadurch zu ihrer physikalischen Immobilisierung bei. Um die Hypothesen 1 und 2 zu überprüfen, wurden Böden mit ausgewählten Chemikalien behandelt, deren Wechselwirkungspotenzial mit Parametern der Theorie der Linearen Solvatationsenergiebeziehung charakterisiert wurde. Die Eigenschaften der WaMB, wie thermische Stabilität und Mobilität der verknüpften OBS-Molekülsegmente, wurden mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DDK) charakterisiert. Struktur und thermische Eigenschaften von aliphatischen Kristalliten wurden mithilfe von 13C-NMR-Spektroskopie und DDK untersucht. Die Dotierung von Bodenproben mit dem Modellschadstoff Phenol und Messungen zur Phenoldesorption ermöglichten es, die Parameter der Desorptionskinetik mit WaMB-Eigenschaften zu verknüpfen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die WaMB-Stabilität wesentlich durch Moleküle mit H-Donor- und Akzeptoreigenschaften gesenkt wird. Die mit den WaMB einhergehende Starrheit der OBS-Matrix wurde hauptsächlich durch das McGowan-Volumen der interagierenden Moleküle beeinflusst, was auf einen großen Einfluss der Dispersionskräfte hindeutet. Die Desorption von Phenol folgte einer Kinetik erster Ordnung mit zwei Zeitkonstanten, die beide mit der WaMB-Stabilität korrelierten, was die Hypothese stützt, dass WaMB zur physikalischen Immobilisierung von Phenol beiträgt. Die aliphatischen Kristalliten unterlagen nach Kontakt mit ausgewählten Chemikalien strukturellen Änderungen, die zu einem amorpheren Zustand und zu einer Senkung des Schmelzpunkts und einer signifikanten Abnahme der Kristallinität in der OBS führten. Diese strukturellen Änderungen konnten sowohl von Molekülen mit spezifischen, als auch von solchen mit unspezifischen Wechselwirkungen verursacht werden. Dies zeigt, dass Moleküle mit einem breiten Spektrum an Wechselwirkungspotenzialen in aliphatische Kristallite eindringen und deren Struktur verändern können.
Am Beispiel von WaMB und aliphatischen Kristalliten wurde aus dieser Arbeit ersichtlich, dass organische Moleküle mit Bestandteilen der OBS interagieren und messbare Änderungen in deren Struktur und Eigenschaften verursachen können. Neben der Relevanz von aliphatischen Kristalliten für Sorptionsprozesse im Boden wurde gezeigt, dass die physikochemische Matrixalterung signifikant zur Immobilisierung von Schadstoffen in der OBS beiträgt.
Binnengewässer spielen eine aktive Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie nehmen Kohlenstoff von stromaufwärts gelegenen Landmassen auf und transportieren ihn stromabwärts, bis er schließlich den Ozean erreicht. Auf diesem Weg sind vielfältige Prozesse zu beobachten, die zu einer (dauerhaften) Rückhaltung des Kohlenstoffs durch Einlagerung in Sedimenten sowie zu direkter Emission in die Atmosphäre führen. Es ist dringend notwendig diese Kohlenstoffflüsse und ihre anthropogene Veränderung zu quantifizieren. In diesem Zusammenhang muss die Aufmerksamkeit auf ein weit verbreitetes Merkmal von Gewässern gerichtet werden: ihre teilweise Austrocknung. Dies führt dazu, dass ehemals überschwemmte Sedimente in direkten Kontakt mit der Atmosphäre gelangen, genannt „dry inland waters“. Ein Merkmal der „dry inland waters“ sind überproportional hohe Kohlendioxid (CO2)-Emissionen. Diese Erkenntnis beruhte jedoch bisher auf lokalen Fallstudien, und es fehlt an Wissen über die globale Verbreitung und die grundlegenden Mechanismen dieser Emissionen. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, das Ausmaß und die Mechanismen der Kohlenstoffemissionen der „dry inland waters“ auf globaler und lokaler Ebene besser zu verstehen und die Auswirkungen von „dry inland waters“ auf den globalen Kohlenstoffkreislauf zu bewerten. Die spezifischen Forschungsfragen dieser Arbeit lauteten: (1) Wie fügen sich gasförmige Kohlenstoffemissionen von „dry inland waters“ in den globalen Kohlenstoffkreislauf und in die globalen Treibhausgasbudgets ein? (2) Welche Auswirkungen haben saisonale und langfristige Austrocknung auf den Kohlenstoffkreislauf von Gewässern? Diese Arbeit hat gezeigt, dass „dry inland waters“im globalen Maßstab unverhältnismäßig große Mengen an CO2 emittieren und dass diese Emissionen in allen Ökosystemen vergleichbaren Mechanismen folgen. Die Quantifizierung der globalen Wasserstandsschwankungen in Stauseen und die globale Berechnung der Kohlenstoffflüsse legen nahe, dass Stauseen mehr Kohlenstoff freisetzen als sie in den Sedimenten einlagern, was das derzeitige Verständnis von Stauseen als Nettokohlenstoffsenken in Frage stellt. Auf lokaler Ebene hat diese Arbeit gezeigt, dass sowohl die heterogenen Emissionsmuster verschiedener typischer Uferbereiche als auch die saisonalen Schwankungen der Kohlenstoffemissionen aus der „drawdown area“ berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus hat diese Arbeit gezeigt, dass die Remobilisierung von Kohlenstoff aus den Sedimenten bei dauerhafter Austrocknung von Gewässern die beobachteten Emissionsraten erklären kann, was die Hypothese einer positiven Rückkopplung zwischen Klimawandel und der Austrocknung von Gewässern unterstützt. Insgesamt unterstreicht die vorliegende Arbeit die Bedeutung der Emissionen aus trockenen Gewässerbereichen für den globalen Kohlenstoffkreislauf von Gewässern.
Although most plastic pollution originates on land, current research largely remains focused on aquatic ecosystems. Studies pioneering terrestrial microplastic research have adapted analytical methods from aquatic research without acknowledging the complex nature of soil. Meanwhile, novel methods have been developed and further refined. However, methodical inconsistencies still challenge a comprehensive understanding of microplastic occurrence and fate in and on soil. This review aims to disentangle the variety of state-of-the-art sample preparation techniques for heterogeneous solid matrices to identify and discuss best-practice methods for soil-focused microplastic analyses. We show that soil sampling, homogenization, and aggregate dispersion are often neglected or incompletely documented. Microplastic preconcentration is typically performed by separating inorganic soil constituents with high-density salt solutions. Not yet standardized but currently most used separation setups involve overflowing beakers to retrieve supernatant plastics, although closed-design separation funnels probably reduce the risk of contamination. Fenton reagent may be particularly useful to digest soil organic matter if suspected to interfere with subsequent microplastic quantification. A promising new approach is extraction of target polymers with organic solvents. However, insufficiently characterized soils still impede an informed decision on optimal sample preparation. Further research and method development thus requires thorough validation and quality control with well-characterized matrices to enable robust routine analyses for terrestrial microplastics.
The increasing, anthropogenic demand for chemicals has created large environmental problems with repercussions for the health of the environment, especially aquatic ecosystems. As a result, the awareness of the public and decision makers on the risks from chemical pollution has increased over the past half-century, prompting a large number of studies in the field of ecological toxicology (ecotoxicology). However, the majority of ecotoxicological studies are laboratory based, and the few studies extrapolating toxicological effects in the field are limited to local and regional levels. Chemical risk assessment on large spatial scales remains largely unexplored, and therefore, the potential large-scale effects of chemicals may be overlooked.
To answer ecotoxicological questions, multidisciplinary approaches that transcend classical chemical and toxicological concepts are required. For instance, the current models for toxicity predictions - which are mainly based on the prediction of toxicity for a single compound and species - can be expanded to simultaneously predict the toxicity for different species and compounds. This can be done by integrating chemical concepts such as the physicochemical properties of the compounds with evolutionary concepts such as the similarity of species. This thesis introduces new, multidisciplinary tools for chemical risk assessments, and presents for the first time a chemical risk assessment on the continental scale.
After a brief introduction of the main concepts and objectives of the studies, this thesis starts by presenting a new method for assessing the physiological sensitivity of macroinvertebrate species to heavy metals (Chapter 2). To compare the sensitivity of species to different heavy metals, toxicity data were standardized to account for the different laboratory conditions. These rankings were not significantly different for different heavy metals, allowing the aggregation of physiological sensitivity into a single ranking.
Furthermore, the toxicological data for macroinvertebrates were used as input data to develop and validate prediction models for heavy metal toxicity, which are currently lacking for a wide array of species (Chapter 3). Apart from the toxicity data, the phylogenetic information of species (evolutionary relationships among species) and the physicochemical parameters for heavy metals were used. The constructed models had a good explanatory power for the acute sensitivity of species to heavy metals with the majority of the explained variance attributed to phylogeny. Therefore, the integration of evolutionary concepts (relatedness and similarity of species) with the chemical parameters used in ecotoxicology improved prediction models for species lacking experimental toxicity data. The ultimate goal of the prediction models developed in this thesis is to provide accurate predictions of toxicity for a wide range of species and chemicals, which is a crucial prerequisite for conducting chemical risk assessment.
The latter was conducted for the first time on the continental scale (Chapter 4), by making use of a dataset of 4,000 sites distributed throughout 27 European countries and 91 respective river basins. Organic chemicals were likely to exert acute risks for one in seven sites analyzed, while chronic risk was prominent for almost half of the sites. The calculated risks are potentially underestimated by the limited number of chemicals that are routinely analyzed in monitoring programmes, and a series of other uncertainties related with the limit of quantification, the presence of mixtures, or the potential for sublethal effects not covered by direct toxicity.
Furthermore, chemical risk was related to agricultural and urban areas in the upstream catchments. The analysis of ecological data indicated chemical impacts on the ecological status of the river systems; however, it is difficult to discriminate the effects of chemical pollution from other stressors that river systems are exposed to. To test the hypothesis of multiple stressors, and investigate the relative importance of organic toxicants, a dataset for German streams is used in chapter 5. In that study, the risk from abiotic (habitat degradation, organic chemicals, and nutrients enrichment) and biotic stressors (invasive species) was investigated. The results indicated that more than one stressor influenced almost all sites. Stream size and ecoregions influenced the distribution of risks, e.g., the risks for habitat degradation, organic chemicals and invasive species increased with the stream size; whereas organic chemicals and nutrients were more likely to influence lowland streams. In order to successfully mitigate the effects of pollutants in river systems, co-occurrence of stressors has to be considered. Overall, to successfully apply integrated water management strategies, a framework involving multiple environmental stressors on large spatial scales is necessary. Furthermore, to properly address the current research needs in ecotoxicology, a multidisciplinary approach is necessary which integrates fields such as, toxicology, ecology, chemistry and evolutionary biology.
In Studien zur Toxizität von Chemikaliengemischen wurde festgestellt, dass Gemische aus Komponenten in Konzentrationen ohne erkennbare Wirkung als Einzelstoff (NOECs) als Resultat der gemeinsamen Wirkung der Substanzen Toxizität verursachen können. Die Risikobewertung von Chemikalien konzentriert sich jedoch häufig auf einzelne chemische Substanzen, obwohl die meisten lebenden Organismen im Wesentlichen chemischen Gemischen anstatt einzelnen Substanzen ausgesetzt sind. Die Konzepte der additiven Toxizität, Konzentrationsadditivität (CA) und der unabhängigen Wirkung (IA), werden häufig angewendet, um die Mischungstoxizität von Gemischen ähnlich wirkender und unähnlich wirkender Chemikalien vorherzusagen. Allerdings können lebende Organismen, ebenso wie die Umwelt, beiden Chemikalienarten zur gleichen Zeit und am gleichen Ort ausgesetzt sein. Darüber hinaus wäre es nahezu unmöglich, auf experimentellem Wege Toxizitätsdaten für jede denkbare Mischung zu gewinnen, da die Anzahl der Möglichkeiten beinahe unendlich groß ist. Aus diesem Grund muss ein integriertes Modell zur Vorhersage der Mischungstoxizität, welches auf einzelnen Mischungskomponenten mit verschiedenen Arten toxischer Wirkung (MoAs) basiert, entwickelt werden. Die Ziele der vorliegenden Studie sind, die Problematik der Vorhersage der Mischungstoxizität in der Umwelt zu analysieren und integrierte Modelle zu entwickeln, die die Beschränkungen der vorhandenen Vorhersagemodelle zur Abschätzung der Toxizität nicht-interaktiver Mischungen mittels computergestützter Modelle überwinden. Für diese Zielsetzung wurden in dieser Studie vier Unterthemen bearbeitet. Als Erstes wurden Anwendungsbereiche und Beschränkungen bereits bestehender Modelle analysiert und in die drei Kategorien dieser Studie eingruppiert. Aktuelle Ansätze zur Einschätzung der Mischungstoxizität und die Notwendigkeit eines neuen Forschungskonzepts zur Überwindung bestehender Einschränkungen, die aus neueren Studien hervorgehen, wurden diskutiert. Insbesondere diejenigen, die computergestützte Ansätze einbeziehen um die Toxizität chemischer Gemische, basierend auf den toxikologischen Daten einzelner Chemikalien, vorherzusagen. Als Zweites wurde anhand einer Fallstudie und mittels computergestützter Simulation festgestellt, dass die Key Critical Component (KCC) und die Composite Reciprocal (CR) methods, die im Entwurf des Technischen Leitfadens der Europäischen Union (EU) zu Berechnung der Predicted No Effect Concentration (PNEC) und des Derived No Effect Level (DNEL) von Gemischen beschrieben wurden, signifikant abweichende Ergebnisse hervorbringen. Als dritter und vierter Schritt dieser Studie wurden die zwei folgenden integrierten Nebenmodelle entwickelt und erfolgreich angewandt, um die dem CA und IA Modell innewohnenden Beschränkungen zu überwinden, welche theoretisch sowohl für Chemikalien mit ähnlichen, als auch mit abweichenden Reaktionen existieren: 1) Partial Least Squares-based Integrated Addition Model (PLS-IAM) und 2) Quantitative Structure-Activity Relationship-based Two-Stage Prediction (QSAR-TSP) Modell. In dieser Studie wurde gezeigt, dass das PLS-IAM angewandt werden könnte, wenn die toxikologischen Daten ähnlicher Gemische mit gleicher Zusammensetzung zur Verfügung stehen. Das QSAR-TSP Modell zeigt eine Möglichkeit zur Überwindung der kritischen Einschränkungen des herkömmlichen TSP Modells auf, bei der Kenntnisse der MoAs aller Chemikalien erforderlich sind. Diese Studie zeigt das hohe Potential der erweiterten integrierten Modelle, z.B. PLS-IAM und QSAR-TSP, die durch Berücksichtigung verschiedener nicht-interaktiver Komponenten mit unterschiedlichen MoA Gruppen, die Verlässlichkeit konventioneller Modelle erhöhen und das Verfahren der Risikobewertung von Gemischen aus wissenschaftlicher Sicht vereinfachen.
Natürliche Schädlingskontrolle und Bestäubung sind wichtige Ökosystemdienstleistungen für die Landwirtschaft. Diese können durch ökologische Landwirtschaft und naturnahe Lebensräume in der näheren oder weiteren Umgebung gefördert werden.
Das Potential naturnaher Lebensräume räuberische Fliegen(Kapitel 2 und 3)und Bienen (Kapitel 7) auf lokaler und Landschaftsebene zu fördern wurde in naturnahen Lebensräumen untersucht. Räuberische Fliegen bevorzugten verholzte Habitate und reagierten positiv auf die andschaftskomplexizität. Die Vielfalt von Bienen und die Häufigkeit von Honig- und Wildbienen in den naturnahen Lebensräumen wurde vor allem positiv von den vorhandenen Blütenressourcen beeinflusst.
Der Einfluss von ökologischer Landwirtschaft, angrenzenden naturnahen Lebensräumen und Landschaftskomplexizität auf natürliche Schädlingskontrolle (Kapitel 4) und Bestäubung (Kapitel 6) wurde in 18 Kürbisfeldern untersucht. Ökologische Landwirtschaft hatte keine starken Effekte auf die natürliche Schädlingskontrolle oder die Bestäubung von Kürbis. Die natürliche Schädlingskontrolle kann vor allem lokal durch das Blütenangebot in den angrenzenden Lebensräumen gefördert werden, weil dieses die Dichten der natürlichen Läusefeinde positiv beeinflusste und tendenziell die Läusedichte in den Kürbisfeldern reduzierte.
Kürbis ist ein beeindruckendes Beispiel für eine Schlüsselrolle von Wildbienen für den Bestäubungserfolg, weil Kürbis in Deutschland vor allem von Hummeln bestäubt wird trotz der höheren Besuchsdichten von Honigbienen. Die Bestäubung kann am besten durch Landschaftskomplexizität gefördert werden. Die Anzahl von Blütenbesuchen von Hummeln und infolgedessen auch die übertragene Pollenmenge wurden negativ von der landwirtschaftlich genutzten Fläche in der umgebenden Landschaft beeinflusst.
Der Einfluss von Läusedichten (Kapitel 8) und Bestäubung (Kapitel 5) auf den Kürbisertrag wurde ermittelt. Der Kürbisertrag wurde nicht beeinflusst von den beobachteten Läusedichten und war nicht bestäubungslimitiert bei der derzeitigen Menge an Bienenbesuchen.
Insbesondere naturnahe Lebensräume, die stetige und vielfältige Blütenressourcen bereitstellen, sind wichtig für Schädlingskontrolleure und Bestäuber. In Agrarlandschaften sollte ein ausreichender Anteil an verschiedenen Typen von naturnahen Lebensräumen erhalten und wiederhergestellt werden. Dadurch können natürliche Schädlingskontrolleure wie räuberische Fliegen, Bestäuber wie Hummeln,und die von ihnen geleistete Schädlingskontrolle und Bestäubung in Agrarlandschaften gefördert werden.
Genetische Populationsstruktur europäischer Hyalodaphnia-Arten: Monopolisierung versus Genfluss
(2012)
Die genetische Populationsstruktur von Arten wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, z.B. vom Reproduktionsmodus. Ein spezieller Reproduktionsmodus ist die zyklische Parthenogenese, eine Abwechslung von Phasen asexueller und sexueller Reproduktion. Die klonale Diversität von zyklisch parthenogenetischen Zooplanktonorganismen wird durch die Größe der Dauerstadienbank im Sediment beeinflusst, d.h. durch die Anzahl der sexuell produzierten Dauereier die sich im Sediment akkumulieren. Weiterhin verringert klonale Erosion, ausgelöst durch stochastische und selektive Prozesse, die Diversität über die Zeit. Da zyklisch parthenogenetische Zooplanktonorganismen neue Habitate effektiv monopolisieren können, wurden die Auswirkungen von Genfluss als vernachlässigbar angenommen. Unter Monopolisierung wird die schnelle Vergrößerung der Population verstanden, was zu einem Vorteil für die ersten Ankömmlinge führt (priority-Effekt). Durch lokale Anpassung und das Aufbauen einer Dauerstadienbank wird Genfluss effektiv entgegen gewirkt, da später ankommende Genotypen sich nicht in der Population etablieren können. Das Ziel dieser Arbeit war die Evaluierung der Prozesse, die die populationsgenetische Struktur von zyklisch parthenogenetischen Zooplanktonorganismen beeinflussen, mit besonderem Fokus auf Monopolisierung und Genfluss. Als Organismen wurden Seenarten der Gattung Daphnia eingesetzt, für die zunächst 32 variable Mikrosatellitenmarker entwickelt wurden. Ein ausgewähltes Marker-Set von zwölf Mikrosatellitenmarkern wurde zusätzlich für die Art- und Hybriddetektion getestet. Mit diesem Marker-Set und einem zusätzlichen mitochondrialen DNA-Marker wurden Proben aus 44 europäischen Gewässern untersucht, die die Arten D. cucullata, D. galeata und D. longispina enthielten. Bei D. galeata sind viele Populationen durch eine geringe klonale Diversität charakterisiert, was darauf hindeutet, dass die Dauerstadienbank nur wenig zur klonalen Diversität beiträgt, wodurch die Effekte der klonalen Erosion sehr schnell detektiert werden. Die genetischen Muster zeigen weiterhin auf, dass rezente Expansion stattgefunden hat, die wahrscheinlich durch die anthropogene Veränderung limnischer Ökosysteme hervorgerufen und begünstigt wurde, wobei hier vor allem die Eutrophierung vieler europäischer Seen im Vordergrund steht. Bei D. longispina und D. cucullata wurde eine von D. galeata stark abweichende Populationsstruktur detektiert. Hohe genetische Differenzierung zwischen Populationen spricht für geringen Genfluss was im Einklang mit den Annahmen von Monopolisierung ist.
Weiterhin ist die klonale Diversität vieler Populationen sehr hoch und deutet somit einen großen Einfluss der Dauerstadienbank an, weshalb die Effekte der klonalen Erosion nicht oder nur gering detektiert wurden. Bei der Analyse der mitochondrialen DNA von D. longispina wurde ein Anstieg der Populationsgröße nach der letzten Eiszeit ermittelt, da die Entstehung vieler Gletscherseen, die ein ideales Habitat für D. longispina darstellen, zu einer Expansion dieser Art führte. Nicht nur die klonale Diversität der D. longispina-Populationen war hoch, sondern die genetische Diversität im Allgemeinen. Dies zeigt auf, dass während der Entstehung dieser Populationen Genfluss hoch gewesen sein muss. Um die Prozesse, die während der frühen Entwicklungsphase einer Population herrschen, besser beurteilen zu können, wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, die den zeitlichen Vorteil von ankommenden Genotypen auf den Etablierungserfolg dieser Genotypen untersucht.
Es zeigte sich, dass früh ankommende Genotypen einen Vorteil in der Population haben. Bei ähnlicher Fitness war dieser Vorteil langfristig, aber Genotypen mit einer höheren Fitness dominierten die Population auf lange Sicht, unabhängig vom zeitlichen Vorteil den die einzelnen Genotypen zuvor hatten.rnZusammenfassend, die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass zusätzlich zu den bisher untersuchten Prozessen (lokale Anpassung, klonale Erosion und die Größe der Dauerstadienbank) auch Genfluss die Populationsstruktur zyklisch parthenogenetischer Zooplanktonorganismen effektiv beeinflussen kann. Zum Einen, während der Entstehung von Population können mehrere Genotypen zum Aufbau beitragen. Zum Anderen, bei starken Veränderungen der Umweltfaktoren kann Genfluss stark auf die Populationsstruktur wirken.
Eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft ist notwendig, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren ohne die Bodenqualität durch verstärkte Bodendegradation zu verschlechtern. Plastikmul-che (PM) werden weltweit zunehmend eingesetzt, um Wachstum und Ertrag von Feldfrüchten zu ver-bessern und somit die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern. Zunehmend finden sich aber auch kritische Aspekte der PM-Anwendung auf die Bodenqualität sowie widersprüchliche Ergebnisse in der wissenschaftlichen Literatur. Grund könnte die Anwendung in verschiedenen Klimaten und bei unter-schiedlichen Feldkulturen, Böden und landwirtschaftlichen Techniken sein. Ein genauerer Blick ist so-mit notwendig, um den PM-Einfluss auf die Bodenprozesse unter verschiedenen Klima- und Anbaube-dingungen umfassend zu verstehen und hinsichtlich einer nachhaltigen Landwirtschaft zu bewerten.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, zu verstehen, inwieweit eine mehrjährige PM-Anwendung verschiedene Bodeneigenschaften und -prozesse unter gemäßigt, humidem Klima in Mitteleuropa beeinflusst und die Folgen für die Bodenqualität zu bewerten. Hierfür untersuchte ich in einer dreijährigen Feldstudie, wie PM (schwarzes Polyethylen, 50 μm) das Mikroklima, die Strukturstabilität, die organische Bodensub-stanz (OBS) und die Konzentrationen bestimmter Fungizide und Mykotoxine in drei Bodenschichten (0–10, 10–30 and 30–60 cm) im Vergleich zu Strohmulch (SM) beeinflusst. Beide Bodenabdeckungen wurden in einer Dammkultur mit Tröpfchenberegnung im Erdbeeranbau eingesetzt.
Die PM veränderten das Mikroklima des Bodens hin zu höheren Temperaturen und niedrigeren Was-sergehalten. Hauptfaktor für das gesteigerte Pflanzenwachstum unter gegebenem Klima dürfte somit die höhere Bodentemperatur sein. Die niedrigere Bodenfeuchte unter PM zeigte, dass die verhinderte Nie-derschlagsversickerung stärker den Wasserhaushalt beeinflusste als die reduzierte Evaporation, was auf eine ineffiziente Niederschlagsnutzung hinweist. Die PM veränderten den Wasserkreislauf hin zu ver-mehrt seitlichen Wasserflüssen von der Furche zum Damm und weniger vertikalen Sickerwasserflüssen im Damm. Letzteres verringerte die Stickstoffauswaschung im Oberboden (0–10 cm) in der Anwachs-phase der Erdbeeren. PM verhinderte eine abrupte Bodendurchnässung und Überschusswasser bei Re-genfällen und somit Aggregatzerstörung. So wurde eine lockere und stabile Bodenstruktur erhalten, die Bodenverdichtung und Bodenerosion vorbeugt. PM veränderte Kohlenstoffaustausch und -umwandlung hin zu einer größeren und stabileren OBS. Somit kompensierte die unterirdische Biomassenproduktion unter PM den temperaturbedingt beschleunigten OBS Abbau sowie den fehlenden Eintrag oberirdischer Biomasse. Das SM erhöhte jedoch die labile und totale OBS im Oberboden nach dem ersten Versuchs-jahr und steigerte das mikrobielle Wachstum durch den oberirdischen Biomasseeintrag. PM verringerte den Fungizideintrag in den Boden und verursachte kein erhöhtes Mykotoxinvorkommen. Somit stellt PM kein erhöhtes Risiko für Bodenkontaminationen und die Bodenqualität dar. Diese Doktorarbeit zeigte, dass sich die PM-Effekte zeitlich, saisonal und zwischen den Bodenschichten unterschieden, womit die Bedeutung der Faktoren Bodentiefen und Zeit für zukünftige Studien belegt wurde.
Verglichen mit ariden Gebieten, waren die beobachteten PM-Einflüsse klein, ausgeblieben oder anders. Als Grund hierfür vermute ich, dass PM in humidem Klima die Bodenfeuchte verringerte anstatt zu erhöhen und dass unter SM das Stroh und Blätterwerk einen PM-ähnlichen „Abdeckungseffekt“ verur-sachte. Eine Generalisierung der PM-Effekte über verschiedenen Klimazonen ist somit kaum möglich, da sich die Effekte in Art und Ausmaß in Abhängigkeit vom Klima unterscheiden. Die PM-Effekte auf die Bodenqualität müssen somit differenziert beurteilt werden. Ich schlussfolgere, dass PM in humiden Klimaten Bodendegradationen vermindern könnte (z.B., OBS Abbau, Erosion, Nährstoffauswaschung, Verdichtung und Kontamination) und somit hilft, Bodenqualität zu erhalten und eine nachhaltige, land-wirtschaftliche Intensivierung zu ermöglichen. Allerdings ist weitere Forschung nötig um meine Ergeb-nisse auf größeren Skalen, über längere Zeitperioden und bei verschiedenen Böden und Feldfrüchte zu überprüfen, verbleibende offene Fragen zu beantworten und Verbesserungen zu entwickeln, um die Nachteile der PM zu überwinden (z.B. Bodenverunreinigung mit Plastik, Entsorgung der Mulche).