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In Europa ist die moderne Landwirtschaft eine der häufigsten Formen der Landnutzung, allerdings wird sie auch mit negativen Auswirkungen auf die Biodiversität in Agrarlandschaften in Verbindung gebracht. Lepidoptera (Nacht- und Tagfalter) bilden eine artenreiche Gruppe in Agrarsystemen, doch die Populationen vieler Falterarten sind rückläufig. Zu den Zielen der vorliegenden Arbeit gehörte es, Feldsäume in Agrarlandschaften zu erfassen und zu charakterisieren, Effekte realistischer Eintragsraten von Agrarchemikalien (Dünger und Pestizide) in Feldsäumen auf Lepidoptera zu untersuchen und Informationen zu den Bestäubungsleistungen von Nachtfaltern zu sammeln.
Feldsäume sind zwar häufige semi-natürliche Habitatelemente in Agrarökosystemen, aber es gibt nur wenige Informationen über ihre Struktur, Größe und Breite. Daher wurden Feldsäume in zwei deutschen Agrarlandschaften (je 4.000 ha) erfasst und es zeigte sich, dass ein Großteil dieser Säume schmaler als 3 m war (Rheinland-Pfalz: 85% der Feldsaumlänge, Brandenburg: 45% der Feldsaumlänge). In Deutschland müssen Landwirte bei solchen schmalen Feldsäumen keine Maßnahmen zur Verminderung von Pestizideinträgen (z.B. Pufferzonen) umsetzen. Agrarchemikalien werden deshalb insbesondere durch Überspritzung und Abdrift in schmale Feldsäume eingetragen. In solchen schmalen Feldsäumen konnten zwar Raupen nachgewiesen werden, doch ihre mittlere Abundanz war um 35 – 60% niedriger als auf Vergleichsflächen (Wiesen). Im Rahmen eines Feldversuchs sowie in Laborexperimenten zeigte sich, dass Raupen sensitiv auf Insektizideinträge (Pyrethroid, Lambda-Cyhalothrin) regieren. Zudem wurden auf insektizid-behandelten Silene latifolia Pflanzen 40% weniger Eier von Hadena bicruris Faltern gefunden als auf unbehandelten Kontrollpflanzen und die Blüten der behandelten Pflanzen wurden seltener von Nachtfaltern bestäubt. Lepidoptera können neben Insektizid- auch von Herbizideinträgen beeinflussen werden. Ranunculus acris L. Pflanzen wurden mit subletalen Raten eines Sulfonylurea-Herbizids behandelt und dann als Futterpflanzen für Mamestra brassicae L. Raupen genutzt; dies führte zu signifikant geringeren Raupengewichten, einer verlängerten Zeit bis zur Verpuppung und einer verlängerten Gesamtentwicklungsdauer verglichen mit Raupen, die an Kontrollpflanzen fraßen. Ursachen hierfür waren möglicherweise ein geringerer Nährwert oder eine höhere Konzentration von Abwehrstoffen in den herbizid-behandelten Pflanzen. Düngereinträge führten zu einer geringfügigen Erhöhung der Raupenabundanz in dem Feldversuch. Langfristig reduziert Dünger jedoch die Pflanzenvielfalt und dadurch wahrscheinlich auch die Raupendiversität.
Nachtfalter wie Noctuidae und Sphingidae sind Bestäuber für zahlreiche Pflanzenarten, z.B. viele Orchidaceae und Caryophyllaceae. Obwohl sie in den Agrarökosystemen der gemäßigten Breiten wahrscheinlich keine bedeutenden Bestäuber für Kulturpflanzen sind, können Nachtfalter aber für die Bestäubung der Wildpflanzen in semi-natürlichen Habitaten von Relevanz sein. Dabei wird die Rolle der Nachtfalter als Bestäuber zurzeit vermutlich unterschätzt und es werden Langzeitstudien benötigt, um die zeitlichen Schwankungen in ihrer Abundanz und Artenzusammensetzung berücksichtigen zu können.
Lepidopteren bilden eine artenreiche Organismengruppe in Agrarlandschaften, die auch wesentliche Ökosystem-Dienstleistungen erfüllen. Um Nacht- und Tagfalter besser zu schützen, sollten Einträge von Agrarchemikalien in (schmale) Feldsaumhabitate reduziert werden, beispielsweise durch Maßnahmen zur Risikominderung von Pestiziden und Agrarumweltprogramme.
Mathematical models of species dispersal and the resilience of metapopulations against habitat loss
(2021)
Habitat loss and fragmentation due to climate and land-use change are among the biggest threats to biodiversity, as the survival of species relies on suitable habitat area and the possibility to disperse between different patches of habitat. To predict and mitigate the effects of habitat loss, a better understanding of species dispersal is needed. Graph theory provides powerful tools to model metapopulations in changing landscapes with the help of habitat networks, where nodes represent habitat patches and links indicate the possible dispersal pathways between patches.
This thesis adapts tools from graph theory and optimisation to study species dispersal on habitat networks as well as the structure of habitat networks and the effects of habitat loss. In chapter 1, I will give an introduction to the thesis and the different topics presented in this thesis. Chapter 2 will then give a brief summary of tools used in the thesis.
In chapter 3, I present our model on possible range shifts for a generic species. Based on a graph-based dispersal model for a generic aquatic invertebrate with a terrestrial life stage, we developed an optimisation model that models dispersal directed to predefined habitat patches and yields a minimum time until these patches are colonised with respect to the given landscape structure and species dispersal capabilities. We created a time-expanded network based on the original habitat network and solved a mixed integer program to obtain the minimum colonisation time. The results provide maximum possible range shifts, and can be used to estimate how fast newly formed habitat patches can be colonised. Although being specific for this simulation model, the general idea of deriving a surrogate can in principle be adapted to other simulation models.
Next, in chapter 4, I present our model to evaluate the robustness of metapopulations. Based on a variety of habitat networks and different generic species characterised by their dispersal traits and habitat demands, we modeled the permanent loss of habitat patches and subsequent metapopulation dynamics. The results show that species with short dispersal ranges and high local-extinction risks are particularly vulnerable to the loss of habitat across all types of networks. On this basis, we then investigated how well different graph-theoretic metrics of habitat networks can serve as indicators of metapopulation robustness against habitat loss. We identified the clustering coefficient of a network as the only good proxy for metapopulation robustness across all types of species, networks, and habitat loss scenarios.
Finally, in chapter 5, I utilise the results obtained in chapter 4 to identify the areas in a network that should be improved in terms of restoration to maximise the metapopulation robustness under limited resources. More specifically, we exploit our findings that a network’s clustering coefficient is a good indicator for metapopulation robustness and develop two heuristics, a Greedy algorithm and a deducted Lazy Greedy algorithm, that aim at maximising the clustering coefficient of a network. Both algorithms can be applied to any network and are not specific to habitat networks only.
In chapter 6, I will summarize the main findings of this thesis, discuss their limitations and give an outlook of future research topics.
Overall this thesis develops frameworks to study the behaviour of habitat networks and introduces mathematical tools to ecology and thus narrows the gap between mathematics and ecology. While all models in this thesis were developed with a focus on aquatic invertebrates, they can easily be adapted to other metapopulations.
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.
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.
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.
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.
Wildschweine gehören zu den meist verbreiteten Huftieren der Welt. Die Wildschweinpopulation in Deutschland stieg in den letzten drei Jahrzehnten deutlich an. Heutzutage führt deren hohe Dichte zu Schäden auf landwirtschaftlichen Flächen und spielt eine wichtige Rolle bei der Ausbreitung von Krankheiten. Für ein effektives Wildschwein Management sind Informationen über absolute Populationszahlen von höchster Bedeutung. Es existieren verschiedene traditionelle Methoden wie z.B. die direkte Beobachtung der Tiere, das Zählen ihrer Losungen oder die Auswertung der Statistiken zu Jagderträgen, die nur relative Schätzungen oder Populationstrends liefern. Absolute Populationszahlen könnte der Fang-Markier-Wiederfang Ansatz hervorbringen. Nichtsdestotrotz ist das Fangen von Wildschweinen schwer zu realisieren und kostenaufwendig in Bezug auf die hierzu benötigten Arbeitskräfte und den Feldarbeitsaufwand.
Weiterhin sind die Fangwahrscheinlichkeiten heterogen aufgrund der Verhaltensvariabilitaet der Individuen, die durch Alter, Geschlecht und Erfahrung der Tiere bedingt ist. Nicht-invasive genetische Verfahren sind vielversprechender gegenüber den traditionellen Methoden der Populationsgrößenschätzung speziell für Wildschweine. Denn zum Einen reduzieren diese Methoden den Stressfaktor der Tiere und senken Fangfehler und zum Anderen erhöhen sie die Zahl indirekter Beobachtungen. Kot eignet sich sehr gut als DNS-Quelle für die Wildschwein Genotypisierung, da dieser eine nahezu gleiche Erfassungswahrscheinlichkeit für alle Tiere gewährleistet. Nichtsdestotrotz bringt das Arbeiten mit Kot Schwierigkeiten mit sich, die sich in in einer geringen DNS Qualität und Quantität oder Genotypisierungsfehlern äußern. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer zuverlässigen, kostengünstigen, reproduzierbaren und praktikablen Methode zur Genotypisierung von Wildschweinen. Diese Methode sollte einen zuverlässigen Genotypendatensatz liefern, der aus der Genotypisierung gesammelter Kotproben stammte. Individuelle Identifikation bildet die Basis für einen anzuwendenden Fang-Markierung-Wiederfang Ansatz. Da es bisher keine vergleichbaren Untersuchungen zu Populationsschätzungen von Wildscheinen gibt, fehlen Referenzdaten zum nicht-invasiven Ansatz. Daher wurden verschiedene Versuche zur Reduzierung und Quantifizierung der Genotypisierungsfehlerraten (GFR) getestet, verglichen und evaluiert. Um die Amplifizierungsrate zu erhöhen wurden Hälterungs- und DNS-Isolationsverfahre optimiert. Ein Schritt für Schritt Ansatz zur Bestimmung der minimal erforderlichen Anzahl von Mikrosatelliten Marker wurde entwickelt, welcher einen Test mit nahverwandten Individuen (Mütter und deren Föten) beinhaltete, um sogar diese voneinander zu unterscheiden. Ein so genanntes Multitube-Verfahren wurden angewendet um die GFR zu reduzieren. Die Quantifizierung von GFR aus erhobenen Datensätzen wurde evaluiert indem verschiedene Methoden zur GFR-Bestimmung getestet und miteinander verglichen wurden, hierbei ergaben sich GFR zwischen 0% bis 54%. Als Konsequenz dessen wurden die Kriterien für das Multitube-Verfahren verschärft, indem die Anzahl der Wiederholungen von homozygoten Proben erhöht wurde. Eine zusätzliche Validierung in Form eines Blindtests wurde etabliert, um die Zuverlässigkeit der Genotypisierung und Fehlerkorrekturen zu bekräftigen.
Abschließend wurde ein strikter und praktikabler Verfahrenvorschlag entwickelt, beginnend beim Sammeln der Kotproben und endend mit dem Erhalt eines zuverlässigen Datensatzes mit Genotypen einzelner Proben.
Die Ergebnisse der hier präsentierten Methode aus zwei Beprobungen 2006 und 2007 in einem 4000 ha großen Areal im Pfälzer Wald führte zu ungenauen Schätzungen mit hohen Konfidenzintervallen (KI). So lag die geschätzte Populationsgrösse in der Beprobung 2006 bei 215 Individuen, was 156-314 (KI 95%) Individuen entspricht. Die Populationsschätzung 2007 brachte 415 Individuen hervor, was 315-561 (KI 95%) Individuen entspricht. Dies ließ auf zu niedrige Stichproben (2006 betrug n = 141, 2007 n = 326), zu wenig erfolgreich analysierte Proben (2006 n = 89, 2007 n = 156) und/ oder zu wenig Wiederfänge (2006 n = 12, 2007 n = 24) schließen. Zudem ergaben die Schätzungen sogar deutlich höhere Populationszahlen als zuvor durch Jagderträge vermutet wurde, was auf eine uneffektive Bejagungsstrategie in dem Studienareal hindeutet. Für den zukünftigen Ausblick ist es unabdingbar die Stichprobenzahl deutlich zu erhöhen um die Validität und Reliabiltät der Populationsschätzungen zu gewährleisten, da diese für das Wildmanagement und die epidemiologischen Lösungsstrategien von höchster Bedeutung sind. Nichtsdestotrotz konnte die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methode zur individuellen Wildschwein Genotypisierung erfolgreich etabliert werden. Die daraus resultierenden Datensets zur Modellierung von Populationschätzungen sind zuverlässig und weisen eine ausreichend geringe reale Genotypisierungsfehlerrate auf.
Diet-related effects of antimicrobials in aquatic decomposer-shredder and periphyton-grazer systems
(2022)
Leaf-associated microbial decomposers as well as periphyton serve as important food sources for detritivorous and herbivorous macroinvertebrates (shredders and grazers) in streams. Shredders and grazers, in turn, provide not only collectors with food but also serve as prey for predators. Therefore, decomposer-shredder and periphyton-grazer systems (here summarized as freshwater biofilm-consumer systems) are highly important for the energy and nutrient supply in heterotrophic and autotrophic stream food webs. However, both systems can be affected by chemical stressors, amongst which antimicrobials (e.g., antibiotics, fungicides and algaecides) are of particular concern. Antimicrobials can impair shredders and grazers not only via waterborne exposure (waterborne effect pathway) but also through dietary exposure and microorganism-mediated alterations in the food quality of their diet (dietary effect pathway). Even though the relevance of the latter pathway received more attention in recent years, little is known about the mechanisms that are responsible for the observed effects in shredders and grazers. Therefore, the first objective of this thesis was to broaden the knowledge of indirect antimicrobial effects in a model shredder and grazer via the dietary pathway. Moreover, although freshwater biofilm-consumer systems are most likely exposed to antimicrobial mixtures comprised of different stressor groups, virtually nothing is known of these mixture effects in both systems. Therefore, the second objective was to assess and predict diet-related antimicrobial mixture effects in a model freshwater biofilm-consumer system. During this thesis, positive diet-related effects of a model antibiotic on the energy processing and physiology of the shredder Gammarus fossarum were observed. They were probably triggered by shifts in the leaf-associated microbial community in favor of aquatic fungi that increased the food quality of leaves for the shredder. Contrary to that, a model fungicide induced negative effects on the energy processing of G. fossarum via the dietary pathway, which can be explained by negative impacts on the microbial decomposition efficiency leading to a reduced food quality of leaf litter for gammarids. For diet-related antimicrobial effects in periphyton-grazer systems, a model algaecide altered the periphyton community composition by increasing nutritious and palatable algae. This resulted in an enhanced consumption and physiological fitness of the grazer Physella acuta. Finally, it was shown that complex horizontal interactions among leaf-associated microorganisms are involved, making diet-related antimicrobial mixture effects in the shredder G. fossarum difficult to predict. Thus, this thesis provides new insights into indirect diet-related effects of antimicrobials on shredders and grazers as well as demonstrates uncertainties of antimicrobial mixture effect predictions for freshwater biofilm-consumer systems. Moreover, the findings in this thesis are not only informative for regulatory authorities, as indirect effects and effects of mixtures across chemical classes are not considered in the environmental risk assessment of chemical substances, but also stimulate future research to close knowledge gaps identified during this work.
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.
Die Struktur der organischen Bodensubstanz (OBS) ist ein seit Jahrzehnten unter Wissenschaftlern viel diskutiertes Thema. Die wichtigsten Modelle sind unter anderem das Polymer Modell und das Supramolekulare Modell. Während ersteres die OBS als Makromoleküle betrachtet, die amorphe und kristalline Bereiche enthält, erklärt letzteres die OBS als physikochemische Verbindung in der durch schwache hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen individuelle Moleküle primärer Struktur in einer Sekundärstruktur zusammengehalten werden. Die schwachen Wechselwirkungen innerhalb der Sekundärstruktur gewähren der OBS ihre charakteristische Mobilität. Eine wichtige Konsequenz dieses mehrdimensionalen Aufbaus ist es, dass abgesehen von der chemischen Zusammensetzung, die physikochemische Struktur der OBS eine entscheidende Rolle für ihre biogeochemischen Funktionen spielt. Aus diesem physikochemischen Verständnis der OBS Struktur heraus entstand das kürzlich eingeführte Konzept der durch Kationen und Wassermoleküle vermittelten Brücken zwischen OBS Segmenten (CaB und WaMB). Obwohl es in den letzten Jahren einige indirekte Anhaltspunkte für die Ausbildung von CaB und WaMB gab, gibt es bis heute kein klar umrissenes Verständnis di eser Prozesse. Experimentelle Probleme aufgrund sich überlagernder Effekte von wichtigen ebenfalls CaB beeinflussenden Parametern, wie pH und der Konzentration konkurrierender Kationen, erschweren die Untersuchung der CaB-bezogenen Einflüsse. Daher zielte diese Arbeit darauf ab, eine experimentelle Herangehensweise zu entwickeln um CaB innerhalb der OBS zu erzeugen und diese hinsichtlich verschiedener chemischer und physikochemischer Aspekte zu beurteilen. Dazu wurden zuerst die in den Proben schon vorhandenen Kationen entfernt und der pH Wert definiert eingestellt, bevor die Proben erneut mit bestimmten Kationen beladen wurden. So konnten pH- und Kationen-Effekte voneinander getrennt beobachtet werden.
Aus den Ergebnissen, die mit zwei unterschiedlichen Typen organischer Substanz erzielt worden sind, kann folgender Rückschluss gezogen werden: Unter der Voraussetzung, dass die Dichte der funktionellen Gruppen in der OBS hoch genug ist, so dass diese in ausreichender räumlicher Nähe zueinander arrangiert sind, können Kationen die OBS quervernetzen. Eine physikochemische strukturelle Umorientierung findet auch in Alterungsprozessen statt, die die Bildung von mehr und/oder stärkeren CaB und WaMB verursachen. Kationengröße und "ladung bestimmen sowohl die Erzeugung von CaB direkt bei der Kationenbehandlung, als auch die Effekte der Alterungsprozesse. Ein anfänglichrnstärker quervernetztes System ist weniger anfällig für strukturelle Änderungen und unterliegt weniger starken Alterungsprozessen als ein anfänglich schwächer quervernetztes. Verantwortlich für die strukturellen Veränderungen ist die der OBS innewohnende Mobilität innerhalb ihres physikochemischen Verbundes. Information über die strukturellen Voraussetzungen zur Bildung von CaB und deren Konsequenzen für die Matrixstabilität der OBS können helfen, Einblicke in die physikochemische Struktur der OBS zu erhalten. Außerdem zeigten die Qualität der OBS (bestimmt mithilfe thermischer Analytik) und deren Porenstruktur, die sich in einer Reihe von künstlich hergestellten Böden nach einigen Monaten der OBS Entwicklung gebildet hatten, dass die mineralischen Ausgangsmaterialien zwar eine Bedeutung für die chemische Natur der OBS Moleküle hatten, nicht jedoch für die physikalische Struktur der organisch-mineralischen Verbindungen.
In der vorliegenden Arbeit wurde außerdem erstmals die nanothermische Analyse mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM-nTA) für Boden eingesetzt, um thermische Eigenschaften und deren räumliche Verteilung im Nano- und Mikrometerbereich zu erfassen. Diese Methode ermöglichte es, physikochemische Prozesse, wie z.B. das Aufbrechen von WaMB in humusarmen Böden zu identifizieren, bei denen herkömmliche Methoden aufgrund zu niedriger Empfindlichkeit scheiterten. Weiterhin konnten durch eine verbesserte Anwendung der Methode und die Kombination mit anderen AFM-Parametern einige in Böden vorkommende Materialien in hoher räumlicher Auflösung unterschieden werden. Durch die Verwendung definierter Testmaterialien wurde versucht, diese Bodenmaterialien zu identifizieren. Das größte Potential dieser Methode liegt allerdings darin, die mikroskopische Heterogenität von Probenoberflächen zu quantifizieren, was z.B. dabei helfen kann, Prozess-relevante Hotspots aufzudecken.
Durch die Einbindung der AFM-nTA Technologie trägt die vorliegende Arbeit zum wissenschaftlichen Verständnis der Änderungen der physikochemischer Struktur der OBS durch Kationenquervernetzung bei. Die hier demonstrierte direkte Untersuchung der CaB kann möglicherweise zu einem großen Wissenssprung hinsichtlich dieser Wechselwirkungen verhelfen. Der beobachtete Alterungsprozess ergänzt gut das supramolekularen Verständnis der OBS. Die Einführung der nanothermischen Analyse in die Bodenkunde ermöglicht es, dem Problem der Heterogenität und der räumlichen Verteilung thermischer Eigenschaften zu begegnen. Ein anderer wichtiger Erfolg der AFM-nTA ist, dass sie genutzt werden kann um physikochemische Prozesse sehr geringer Intensität zu detektieren.
This thesis examined two specific cases of point and diffuse pollution, pesticides and salinisation, which are two of the most concerning stressors of Germany’s freshwater bodies. The findings of this thesis were organized into three major components, of which the first component presents the contribution of WWTPs to pesticide toxicity (Chapter 2). The second component focuses on the current and future background salt ion concentrations under climate change with the absence of anthropogenic activities (Chapter 3). Finally, the third major component shows the response of invertebrate communities in terms of species turnover to levels of salinity change, considered as a proxy for human-driven salinisation (Chapter 4).
In den letzten Jahrzehnten wurde deutlich, dass die Welt mit einer beispiellosen, vom Menschen verursachten Biodiversitätskrise konfrontiert ist. Eine der am stärksten bedrohten Artengruppen stellen dabei die Amphibien dar, so gelten laut IUCN 41% der Amphibienarten als gefährdet. Jedoch können selbst bei Arten die als "least concern" klassifiziert sind Populationsrückgänge auf lokaler Ebene beobachtet werden. Mit einer veränderten Landnutzung und dem Einsatz von Pestiziden sind zwei der Hauptursachen für diese Gefährdung direkt mit intensiver Landwirtschaft verbunden. Daher ist das Wissen um die Situation von Amphibien in der Agrarlandschaft von entscheidender Bedeutung für Schutzmaßnahmen. In der vorliegenden Arbeit wurden Amphibienpopulationen in der durch Weinbau geprägten Gegend um Landau in der Pfalz (Deutschland) im Hinblick auf Lebensraumnutzung, Pestizidexposition, biometrische Merkmale sowie der Alters- und genetischer Populationsstruktur untersucht. Da Agrarflächen oft zur Fragmentierung von Landschaften führen, ging ich der Frage nach ob dies auch auf Weinberge zutrifft und ob eingesetzte Pestizide zur Fragmentierung beitragen, ob also eine chemische Landschaftsfragmentierung vorliegt. Durch die Telemetrierung von Erdkröten (Bufo bufo) konnte ich zeigen, dass diese Art direkt in Weinbergen gefunden werden kann, diese aber generell eher meidet. Die Analyse der genetischen Struktur von Grasfröschen (Rana temporaria) ergab, dass Weinberge als Barriere für Amphibien anzusehen sind. Um herauszufinden, ob Pestizide zu der daraus resultierenden Landschaftsfragmentierung beitragen, führte ich einen Wahlversuch im Labor durch, bei dem ich ein Vermeidungsverhalten gegenüber kontaminierten Böden fand, was zu einer chemischen Landschaftsfragmentierung führen könnte. Durch die Kombination von Telemetriedaten mit Daten über Pestizidanwendungen von lokalen Winzern konnte ich zeigen, dass ein großer Teil der Erdkröten mit Pestiziden in Kontakt kommt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sich die Agrarlandschaft und hier wahrscheinlich Pestizide negativ auf die Fortpflanzungsfähigkeit von Erdkröten auswirkt. Bei der Untersuchung von Fadenmolchen (Lissotriton helveticus) stellte ich fest, dass adulte Molche aus Gewässern in der Agrarlandschaft kleiner sind als Individuen aus Gewässern im Wald. Da kein Unterschied in der Altersstruktur festgestellt werden konnte, könnten diese Größenunterschiede auf suboptimale Bedingungen für Larven und/oder Jungtiere hindeuten, wenngleich Gewässer in der Agrarlandschaft geeignete Lebensräume für adulte Teichmolche sein könnten. Ich komme zu dem Schluss, dass die beste Maßnahme zum Schutz von Amphibien in der Agrarlandschaft eine heterogene Kulturlandschaft mit einem Mosaik aus verschiedenen Lebensräumen wäre, die ohne oder zumindest mit weniger Pestiziden auskommt. Grüne Korridore zwischen Populationen und Teillebensräumen würden es wandernden Individuen ermöglichen, landwirtschaftliche und damit pestizidbelastete Flächen zu vermeiden. Dies würde das Risiko der Pestizidexposition von Amphibien verringern und gleichzeitig die Fragmentierung der Landschaft und damit die Isolation von Populationen verhindern.
Ponds in agricultural landscapes are often used by amphibians as breeding habitat. However, the characteristics of agricultural ponds and especially the surrounding area are usually said to be suboptimal for many amphibian species. Using suboptimal habitats might allow a species’ survival and reproduction, but can have negative consequences at the individual and population level. In the present study, we investigated Palmate Newt (Lissotriton helveticus) populations from an intensive wine-growing region in southern Germany and compared them with populations located in a nearby forested area in terms of biometric traits, age and genetic structure. By analyzing over 900 adult newts from 11 ponds, we could show that newts reproducing in forest ponds were larger than newts reproducing in agricultural ponds. We did not find differences in the newt age and growth rate between habitat types. Therefore, differences in the body size of newts might already existed in larvae and/or juveniles, what might be related to a lower habitat quality for larvae and/or juveniles in the agricultural landscape. Body mass, body condition and sexual dimorphic traits (length of the caudal filament and max. height of the tail) correlated with body size, but no additional effect of the habitat type was found. The analysis of microsatellites revealed a higher genetic diversity in forest ponds. However, no clear sign of inbreeding was observed in any agricultural population, suggesting some degree of gene flow between them. We conclude, that agricultural ponds can be suitable habitats for the Palmate Newt and that conservation effort should aim to preserve them. The observed effects on body size indicate the need to increase the quality of the aquatic and terrestrial habitat for early life stages of this newt species in agricultural landscapes.
With 47% land coverage in 2016, agricultural land was one of the largest terrestrial biomes in Germany. About 70% of the agricultural land was cropped area with associated pesticide applications. Agricultural land also represents an essential habitat for amphibians. Therefore, exposure of amphibians to agrochemicals, such as fertilizers and pesticides, seems likely. Pesticides can be highly toxic for amphibians, even a fraction of the original application rate may result in high amphibian mortality.
To evaluate the potential risk of pesticide exposure for amphibians, the temporal coincidence of amphibian presence on agricultural land and pesticide applications (N = 331) was analyzed for the fire-bellied toad (Bombina bombina), moor frog (Rana arvalis), spadefoot toad (Pelobates fuscus) and crested newt (Triturus cristatus) during spring migration. In 2007 and 2008, up to 80% of the migrating amphibians temporally coincided with pesticide applications in the study area of Müncheberg, about 50 km east of Berlin. Pesticide interception by plants ranged between 50 to 90% in winter cereals and 80 to 90% in winter rape. The highest coincidence was observed for the spadefoot toad, where 86.6% of the reproducing population was affected by a single pesticide in winter rape during stem elongation with 80% pesticide interception by plants. Late migrating species, such as the fire-bellied toad and the spadefoot toad, overlapped more with pesticide applications than early migrating species, such as the moor frog, did. Under favorable circumstances, the majority of early migrants may not coincide with the pesticide applications of arable fields during spring migration.
To evaluate the potential effect of pesticide applications on populations of the common frog (Rana temporaria), a landscape genetic study was conducted in the vinicultural area of Southern Palatinate. Due to small sample sizes at breeding sites within viniculture, several DNA sampling methods were tested. Furthermore, the novel repeated randomized selection of genotypes approach was developed to utilize genetic data from siblings for more reliable estimates of genetic parameters. Genetic analyses highlighted three of the breeding site populations located in viniculture as isolated from the meta-population. Genetic differentiation among breeding site populations in the viniculture (median pairwise FST=0.0215 at 2.34 km to 0.0987 at 2.39 km distance) was higher compared to genetic differentiation among breeding site populations in the Palatinate Forest (median pairwise FST=0.0041 at 5.39 km to 0.0159 at 9.40 km distance).
The presented studies add valuable information about the risk of pesticide exposure for amphibians in the terrestrial life stage and possible effects of agricultural land on amphibian meta-populations. To conserve endemic amphibian species and their (genetic) diversity in the long run, the risk assessment of pesticides and applied agricultural management measures need to be adjusted to protect amphibians adequately. In addition, other conservation measures such as the creation of new suitable breeding site should be considered to improve connectivity between breeding site populations and ensure the persistence of amphibians in the agricultural land.
Rivers play an important role in the global water cycle, support biodiversity and ecological integrity. However, river flow and thermal regimes are heavily altered in dammed rivers. These impacts are being exacerbated and become more apparent in rivers fragmented by multiple dams. Recent studies mainly focused on evaluating the cumulative impact of cascade reservoirs on flow or thermal regimes, but the role of upstream reservoirs in shaping the hydrology and hydrodynamics of downstream reservoirs remains poorly understood. To improve the understanding of the hydrodynamics in cascade reservoirs, long-term observational data are used in combination with numerical modeling to investigate the changes in flow and thermal regime in three cascade reservoirs at the upper reach of the Yangtze River. The three studied reservoirs are Xiluodu (XLD), Xiangjiaba (XJB) and Three Gorges Reservoir (TGR). In addition, the effects of single reservoir operation (at seasonal/daily time scale) on hydrodynamics are examined in a large tributary of TGR. The results show that the inflow of TGR has been substantially altered by the two upstream reservoirs with a higher discharge in spring and winter and a reduced peak flow in summer. XJB had no obvious contribution to the variations in inflow of TGR. The seasonal water temperature of TGR was also widely affected by the upstream two reservoirs, i.e., an increase in winter and decrease in spring, associated with a delay in water temperature rise and fall. These effects will probably be intensified in the coming years due to the construction of new reservoirs. The study also underlines the importance of reservoir operation in shaping the hydrodynamics of TGR. The seasonal dynamics of density currents in a tributary bay of TGR are closely related to seasonal reservoir operations. In addition, high-frequency water level fluctuations and flow velocity variations were observed in response to periodic tributary bay oscillations, which are driven by the diurnal discharge variations caused by the operation of TGR. As another consequence of operation of cascade reservoirs, the changes in TGR inflow weakened spring thermal stratification and caused warming in spring, autumn and winter. In response to this change, the intrusions from TGR occurred more frequently as overflow and earlier in spring, which caused a sharp reduction in biomass and frequency of phytoplankton blooms in tributary bays of TGR. This study suggests that high-frequency bay oscillations can potentially be used as an efficient management strategy for controlling algal blooms, which can be included in future multi-objective ecological conservation strategies.
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.
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.
Change of ecosystems and the associated loss of biodiversity is among the most important environmental issues. Climate change, pollution, and impoundments are considered as major drivers of biodiversity loss. Organism traits are an appealing tool for the assessment of these three stressors, due to their ability to provide mechanistic links between organism responses and stressors, and consistency over wide geographical areas.
Additionally, traits such as feeding habits influence organismal performance and ecosystem processes. Although the response of traits of specific taxonomic groups to stressors is known, little is known about the response of traits of different taxonomic groups to stressors. Additionally, little is known about the effects of small impoundments on stream ecosystem processes, such as leaf litter decomposition, and food webs.
After briefly introducing the theoretical background and objectives of the studies, this thesis begins by synthesizing the responses of traits of different taxonomic groups to climate change and pollution. Based on 558 peer-reviewed studies, the uniformity (i.e., convergence) in trait response across taxonomic groups was evaluated through meta-analysis (Chapter 2). Convergence was primarily limited to traits related to tolerance.
In Chapter 3, the hypothesis that small impoundments would modify leaf litter decomposition rates at the sites located within the vicinity of impoundments, by altering habitat variables and invertebrate functional feeding groups (FFGs) (i.e., shredders), was tested. Leaf litter decomposition rates were significantly reduced at the study sites located immediately upstream (IU) of impoundments, and were significantly related to the abundance of invertebrate shredders.
In Chapter 4, the invertebrate FFGs were used to evaluate the effect of small impoundments on stream ecosystem attributes. The results showed that heterotrophic production was significantly reduced at the sites IU. With regard to food webs, the contribution of methane gas derived carbon to the biomass of chironomid larvae was evaluated through correlation of stable carbon isotope values of chironomid larvae and methane gas concentrations.
The results indicated that the contribution of methane gas derived carbon into stream benthic food web is low. In conclusion, traits are a useful tool in detecting ecological responses to stressors across taxonomic groups, and the effects of small impoundments on stream ecological integrity and food web are limited.
Assessment of renewable energy potentials based on GIS. A case study in southwest region of Russia
(2018)
In the present thesis, the initial conditions for the development of RES potentials for the production of wind, solar and biomass energy in the Krasnodar region (southwestern region of the Russian Federation) are examined using a multi-criteria assessment methodology. For the assessment of the RES potentials at regional scale, the prosed multi-criteria methodology based on the geographic information systems (GIS) and has been complemented by the evaluation and analysis of primary and secondary data as well as economic calculations relevant related to economic feasibility of RES projects.
Conversion of natural vegetation into cattle pastures and croplands results in altered emissions of greenhouse gases (GHG), such as carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O). Their atmospheric concentration increase is attributed the main driver of climate change. Despite of successful private initiatives, e.g. the Soy Moratorium and the Cattle Agreement, Brazil was ranked the worldwide second largest emitter of GHG from land use change and forestry, and the third largest emitter from agriculture in 2012. N2O is the major GHG, in particular for the agricultural sector, as its natural emissions are strongly enhanced by human activities (e.g. fertilization and land use changes). Given denitrification the main process for N2O production and its sensitivity to external changes (e.g. precipitation events) makes Brazil particularly predestined for high soil-derived N2O fluxes.
In this study, we followed a bottom-up approach based on a country-wide literature research, own measurement campaigns, and modeling on the plot and regional scale, in order to quantify the scenario-specific development of GHG emissions from soils in the two Federal States Mato Grosso and Pará. In general, N2O fluxes from Brazilian soils were found to be low and not particularly dynamic. In addition to that, expected reactions to precipitation events stayed away. These findings emphasized elaborate model simulations in daily time steps too sophisticated for regional applications. Hence, an extrapolation approach was used to first estimate the influence of four different land use scenarios (alternative futures) on GHG emissions and then set up mitigation strategies for Southern Amazonia. The results suggested intensification of agricultural areas (mainly cattle pastures) and, consequently, avoided deforestation essential for GHG mitigation.
The outcomes of this study provide a very good basis for (a) further research on the understanding of underlying processes causing low N2O fluxes from Brazilian soils and (b) political attempts to avoid new deforestation and keep GHG emissions low.