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Agricultural land-use may lead to brief pulse exposures of pesticides in edge-of-field streams, potentially resulting in adverse effects on aquatic macrophytes, invertebrates and ecosystem functions. The higher tier risk assessment is mainly based on pond mesocosms which are not designed to mimic stream-typical conditions. Relatively little is known on exposure and effect assessment using stream mesocosms.
Thus the present thesis evaluates the appliacability of the stream mesocosms to mimic stream-typical pulse exposures, to assess resulting effects on flora and fauna and to evaluate aquatic-terrestrial food web coupling. The first objective was to mimic stream-typical pulse exposure scenarios with different durations (≤ 1 to ≥ 24 hours). These exposure scenarios established using a fluorescence tracer were the methodological basis for the effect assessment of an herbicide and an insecticide. In order to evaluate the applicability of stream mesocosms for regulatory purposes, the second objective was to assess effects on two aquatic macrophytes following a 24-h pulse exposure with the herbicide iofensulfuron-sodium (1, 3, 10 and 30 µg/L; n = 3). Growth inhibition of up to 66 and 45% was observed for the total shoot length of Myriophyllum spicatum and Elodea canadensis, respectively. Recovery of this endpoint could be demonstrated within 42 days for both macrophytes. The third objective was to assess effects on structural and functional endpoints following a 6-h pulse exposure of the pyrethroid ether etofenprox (0.05, 0.5 and 5 µg/L; n = 4). The most sensitive structural (abundance of Cloeon simile) and functional (feeding rates of Asellus aquaticus) endpoint revealed significant effects at 0.05 µg/L etofenprox. This concentration was below field-measured etofenprox concentrations and thus suggests that pulse exposures adversely affect invertebrate populations and ecosystem functions in streams. Such pollutions of streams may also result in decreased emergence of aquatic insects and potentially lead to an insect-mediated transfer of pollutants to adjacent food webs. Test systems capable to assess aquatic-terrestrial effects are not yet integrated in mesocosm approaches but might be of interest for substances with bioaccumulation potential. Here, the fourth part provides an aquatic-terrestrial model ecosystem capable to assess cross-ecosystem effects. Information on the riparian food web such as the contribution of aquatic (up to 71%) and terrestrial (up to 29%) insect prey to the diet of the riparian spider Tetragnatha extensa was assessed via stable isotope ratios (δ13C and δ15N). Thus, the present thesis provides the methodological basis to assess aquatic-terrestrial pollutant transfer and effects on the riparian food web.
Overall the results of this thesis indicate, that stream mesocosms can be used to mimic stream-typical pulse exposures of pesticides, to assess resulting effects on macrophytes and invertebrates within prospective environmental risk assessment (ERA) and to evaluate changes in riparian food webs.
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.
World’s ecosystems are under great pressure satisfying anthropogenic demands, with freshwaters being of central importance. The Millennium Ecosystem Assessment has identified anthropogenic land use and associated stressors as main drivers in jeopardizing stream ecosystem functions and the
biodiversity supported by freshwaters. Adverse effects on the biodiversity of freshwater organisms, such as macroinvertebrates, may propagate to fundamental ecosystem functions, such as organic matter breakdown (OMB) with potentially severe consequences for ecosystem services. In order to adequately protect and preserve freshwater ecosystems, investigations regarding potential and observed as well as direct and indirect effects of anthropogenic land use and associated stressors (e.g. nutrients, pesticides or heavy metals) on ecosystem functioning and stream biodiversity are needed. While greater species diversity most likely benefits ecosystem functions, the direction and magnitude of changes in ecosystem functioning depends primarily on species functional traits. In this context, the functional diversity of stream organisms has been suggested to be a more suitable predictor of changes in ecosystem functions than taxonomic diversity.
The thesis aims at investigating effects of anthropogenic land use on (i) three ecosystem functions by anthropogenic toxicants to identify effect thresholds (chapter 2), (ii) the organic matter breakdown by three land use categories to identify effects on the functional level (chapter 3) and (iii)on the stream community along an established land-use gradient to identify effects on the community level.
In chapter 2, I reviewed the literature regarding pesticide and heavy metal effects on OMB, primary production and community respiration. From each reviewed study that met inclusion criteria, the toxicant concentration resulting in a reduction of at least 20% in an ecosystem function was standardized based on laboratory toxicity data. Effect thresholds were based on the relationship between ecosystem functions and standardized concentration-effect relationships. The analysis revealed that more than one third of pesticide observations indicated reductions in ecosystem functions at concentrations that are assumed being protective in regulation. However, high variation within and between studies hampered the derivation of a concentration-effect relationship and thus effect thresholds.
In chapter 3, I conducted a field study to determine the microbial and invertebrate-mediated OMB by deploying fine and coarse mesh leaf bags in streams with forested, agricultural, vinicultural
and urban riparian land use. Additionally, physicochemical, geographical and habitat parameters were monitored to explain potential differences in OMB among land use types and sites. Regarding results, only microbial OMB differed between land use types. The microbial OMB showed a negative relationship with pH while the invertebrate-mediated OMB was positively related to tree cover. OMB responded to stressor gradients rather than directly to land use.
In chapter 4, macroinvertebrates were sampled in concert with leaf bag deployment and after species identification (i) the taxonomic diversity in terms of Simpson diversity and total taxonomic
richness (TTR) and (ii) the functional diversity in terms of bio-ecological traits and Rao’s quadratic entropy was determined for each community. Additionally, a land-use gradient was established and the response of the taxonomic and functional diversity of invertebrate communities along this gradient was investigated to examine whether these two metrics of biodiversity are predictive for the rate of OMB. Neither bio-ecological traits nor the functional diversity showed a significant relationship with
OMB. Although, TTR decreased with increasing anthropogenic stress and also the community structure and 26 % of bio-ecological traits were significantly related to the stress gradient, any of these shifts propagated to OMB.
Our results show that the complexity of real-world situations in freshwater ecosystems impedes the effect assessment of chemicals and land use for functional endpoints, and consequently our potential to predict changes. We conclude that current safety factors used in chemical risk assessment may not be sufficient for pesticides to protect functional endpoints. Furthermore, simplifying real-world stressor gradients into few land use categories was unsuitable to predict and quantify losses in OMB. Thus, the monitoring of specific stressors may be more relevant than crude land use categories to detect effects on ecosystem functions. This may, however, limit the large scale assessment of the status of OMB. Finally, despite several functional changes in the communities the functional diversity over several trait modalities remained similar. Neither taxonomic nor functional diversity were suitable predictors of OMB. Thus, when understanding anthropogenic impacts on the linkage between biodiversity and ecosystem functioning is of main interest, focusing on diversity metrics that are clearly linked to the stressor in question (Jackson et al. 2016) or integrating taxonomic and functional metrics (Mondy et al., 2012) might enhance our predictive capacity.
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.
Grundwasser ist eine lebenswichtige Ressource und gleichzeitig ein thermisch stabiler Lebensraum mit einer außergewöhnlichen Fauna. Aufgrund der Klimageschichte der letzten ca. 1,8 Millionen Jahre in Mitteleuropa war die Ausgangshypothese, dass die meisten Grundwasserarten an Temperaturen unterhalb von 14 °C angepasst sind und sich Temperaturerhöhungen daher negativ auf die Grundwasserfauna auswirken.
Um die Folgen einer Klimaerwärmung in situ beurteilen zu können, wurden anthropogen erwärmte Grundwässer als Modelle herangezogen. In ersten Teil dieser Arbeit wurden die Crustaceagemeinschaften natürlich temperierter und anthropogen erwärmter Standorte untersucht. Dazu wurden insgesamt 70 Grundwassermessstellen im Oberrheingraben über ein Jahr (2011 bis 2012) sechsmal beprobt. Ergänzend zu diesem synökologischen Ansatz wurde in einem zweiten Teil die Temperaturpräferenz ausgewählter Arten überprüft. Für diese autökologische Betrachtung wurde ein deutschlandweiter Datensatz herangezogen.
Die ausgewählten Untersuchungsgebiete haben sich als geeignete Modelle für die prognostizierten Temperaturerhöhungen herausgestellt. Die Temperatur erwies sich als einer der wichtigsten Parameter für die Crustaceagemeinschaften. Erwärmungen beeinflussen die Zusammensetzung der Gemeinschaften und die Diversität. Dabei zeigte sich, dass es artspezifisch unterschiedliche Temperaturpräferenzen gibt. Einige vermutlich weniger streng stygobionte Arten scheinen höhere Temperaturen zu tolerieren. Der Großteil der stygobionten Grundwasserarten bevorzugt allerdings Temperaturen unterhalb von 14 °C, wobei wenige Arten als „extrem kalt¬steno-therm“ einzustufen sind. Diese Arten wurden an Standorten nachgewiesen, die aufgrund der hydrologischen Verhältnisse relativ kühl sind und der Fauna auch zukünftig als kalte Refugien Schutz bieten könnten. Einer dieser Standorte ist aufgrund seiner Artenvielalt als „Hot Spot“ einzustufen. Die Ergebnisse legen nahe, dass vor allem kaltstenotherme Arten durch eine Klimaerwärmung und anthropogene Wärmeeinträge gefährdet sind.
Die Untersuchung zeigt, dass Grundwasserlebensräume vor Temperaturerhöhungen zu bewahren sind. Lokale anthropogene Wärmeeinträge sollten keine dauerhafte und großflächige Grundwassererwärmung über 14 °C zur Folge haben. Thermische Ein-träge sollten überwacht und bewertet werden. Es wird empfohlen, die bestehenden rechtlichen Rahmenbedingungen den ökologischen Erfordernissen anzupassen.
Die deutsche Holzhausbranche wächst seit Jahren, allerdings beschäftigen sich die Unternehmen nicht strategisch mit dem Thema Marketing. Diese Dissertation bildet durch qualitative und quantitative Bewohnerbefragungen die Basis für die Entwicklung eines strategischen Marketingansatzes im Holzhausbereich.
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.
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.
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.