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Fungicide effects on the structure and functioning of leaf-associated aquatic fungal communities
(2022)
Aquatic hyphomycetes are a polyphyletic group of saprotrophic fungi growing abundantly on submerged leaf litter. In stream ecosystems shaped by allochthonous leaf litter inputs, they play a central functional role as decomposers and food source for other organisms. Fungicides pose a threat to aquatic hyphomycetes and their functions, since these substances are inherently toxic to fungi and contaminate surface waters around the world due to their widespread use in agricultural and urban landscapes. While fungicides’ potential to reduce fungal diversity are discerned, the extent of impacts on biodiversity-ecosystem functioning relationships (B EF) remains unclear. This is partly attributed to methodological constraints in the detection and quantification of single aquatic hyphomycete species within microbial leaf-associated communities. The primary aim of this thesis was, therefore, (1) to assess the ecotoxicological impacts of fungicides on B-EF relationships in aquatic hyphomycete communities. To facilitate this, subordinate aims were to (2) develop DNA-based biomolecular tools (i.e., qPCR assays) to detect and to quantify the biomass of different aquatic hyphomycete species in mixed cultures and (3) to investigate the mechanisms underlying B-EF relationships in the absence of chemical stressors.
In the course of this thesis, qPCR assays were developed for detection and species-specific biomass quantification of ten common aquatic hyphomycete species and successfully validated for application in eco( toxico )logical microcosm experiments. Via a systematic manipulation of fungal diversity, these assays allow the examination of B-EF relationships by assessments of deviations between observed and (monoculture-based) predicted activities in fungal mixed cultures. Taking advantage of these tools in a microcosm experiment, it was uncovered that leaf decomposition results from the additive activity of community members, even though functionally distinct species were present. Colonization dynamics are characterized by complex interactions. Colonization success of aquatic hyphomycetes is higher if co-occurring species are genetically and functionally distinct (i.e., complementary interactions). However, the co-occurrence of aquatic hyphomycete species does not necessarily result in a greater colonization success compared to monocultures, unless bacteria are present. Accordingly, the presence of other microbial groups such as bacteria may induce new fungal diversity-based feedback loops, which ultimately enable coexistence of aquatic hyphomycete species in the environment. Exposure to fungicides revealed substantial differences in sensitivities among aquatic hyphomycetes. The most productive species were able to cope with extremely high fungicide concentrations up to the mg/L-range. In assemblages containing these species, leaf decomposition was maintained under fungicide exposure. Yet, already at environmentally relevant fungicide concentrations, tolerant species displaced more sensitive ones, potentially affecting leaves’ nutritional quality for consumers. This thesis thus indicates that fungicide exposure poses a risk to stream food webs rather than the microbial leaf decomposition process per se.
Die Abschätzung der Eintragswahrscheinlichkeit von Pestiziden in Gewässer ist insbesondere im Landschaftsmaßstab aufgrund der erforderlichen ereignisbezogenen Probenahmetechniken mit erheblichem Kostenaufwand verbunden. Simulationsmodelle können hierbei eine wichtige Alternative zur Planung von Risiko-Minimierungsmaßnahmen darstellen. Hauptziele dieser Arbeit waren (A) die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs, mit dessen Hilfe das Eintragsrisiko von Pestiziden in Oberflächengewässer im Landschaftsmaßstab abgeschätzt werden kann und sich Risiko-Minimierungsmaßnahmen effektiv planen lassen, sowie (B) die Durchführung einer Expositions- und Risikoabschätzung sowie die Abschätzung negativer Effekte von Pestiziden auf die Artenzahlen von Fließgewässer-Lebensgemeinschaften des Braunschweiger Umlands. Exposition, Risiko und Effekte In den Abschnitten 1.1 und 1.2 wurde das Simulationsmodell auf landwirtschaftlich beeinflusste Fließgewässer des Braunschweiger Umlands angewendet. Abschnitt 1.3 gibt einen Überblick über allgemeine Anwendungsmöglichkeiten des Simulators und den Systemaufbau. Abschnitt 1.1 - Scenario based simulation of runoff-related pesticide entries into small streams on a landscape level (Englische Publikation, S. 27): Auf Basis des von der OECD vorgeschlagenen (ratio of exposure to toxicity) REXTOX-Modells wurde der Pestizideintrag für 737 Probestellen bei kleineren Fließgewässern des Braunschweiger Umlands simuliert. Die Simulation wurde für die 15 im Untersuchungsgebiet am häufigsten nachgewiesenen Pestizide für je acht verschiedene Umweltszenarien durchgeführt. Die Szenarien umfassten Management-Maßnahmen, wie z.B. die Variation der Randstreifenbreite, sowie klimatische und saisonale Aspekte. Die höchsten Konzentrationen wurden für ein Szenario ohne Randstreifen und gleichzeitig erhöhten Niederschlägen vorhergesagt. Anhand der simulierten Konzentrationen wurde das Risiko für aquatische Lebensgemeinschaften auf Basis von Standard-Toxizitätstests (Endpunkte EC50, LC50) und eines Sicherheitsfaktors abgeschätzt. Abschnitt 1.2 - Linking land use variables and invertebrate taxon richness in small and medium-sized agricultural streams on a landscape level (Englische Publikation, S. 50): In dieser Studie wurden die langjährigen mittleren Artenzahlen von Fließgewässer-Invertebratentaxa im landwirtschaftlich geprägten Braunschweiger Umland (Untersuchungen über 15 Jahre bei 90 Gewässern an 202 Probestellen) auf Wechselbeziehungen mit verschiedenen Umweltfaktoren, wie z.B. der Gewässerbreite, der Landnutzung (Landwirtschaft, Wald, Wiese, Siedlung), der Bodenart sowie landwirtschaftlich bedingter Stressoren untersucht. Der Stress, der von der landwirtschaftlichen Nutzung ausgeht, wurde dabei durch das Risiko des Auftretens von Oberflächenabfluss (runoff) von der Ackerfläche in das Gewässer ausgedrückt. Der Faktor "Risk of Runoff" wurde von dem von der OECD vorgeschlagenen "ratio of exposure to toxicity" (REXTOX)-Modell abgeleitet. Durch multivariate Statistik konnten insgesamt 39,9% der Varianz in der Artenzahl erklärt werden, wobei die Gewässerbreite mit 25,3% den wichtigsten Faktor darstellte, gefolgt vom Faktor "Risk of Runoff" mit 9,7%. Abschnitt 1.3 - Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Systemaufbau und Anwendungsmöglichkeiten (Tagungsbeitrag S. 61): Abschnitt 1.3 enthält einen kurzen Überblick über das Simulationssystem, generelle Anwendungsmöglichkeiten sowie Anwendungsbeispiele. Das Simulationssystem Ein wichtiger Aspekt für den Einsatz eines Simulationsmodells im Rahmen der Risikoabschätzung ist dessen einfache Anwendbarkeit in der Praxis. Dazu zählen die leichte Verfügbarkeit der benötigten Eingangsdaten, die Umsetzung des Modells in eine Softwareanwendung sowie die entsprechende Dokumentation des Systems. Abschnitt 1.4 - Informationssystem zur ökotoxikologischen Bewertung der Gewässergüte in Bezug auf Pflanzenschutzmitteleinträge aus der Landwirtschaft - Simulationsmodell und Systemaufbau (BMBF-Bericht, S. 67): In diesem Abschnitt wird das verwendete Modell, die "simplified formula for indirect loadings caused by runoff" (SFIL), der schematische Aufbau des Simulationssystems sowie der Ablauf des Datenverarbeitungsprozesses dargestellt. Abschnitt 1.5 - Benutzerhandbuch (BMBF-Bericht, S. 71): Das Benutzerhandbuch enthält Informationen über die Installation des Systems, die Erzeugung der benötigten Eingangsdaten, zur allgemeinen Arbeit mit dem System sowie Anwendungsbeispiele (Was-wäre-wenn-Analyse). Abschnitt 1.6 - Technische Dokumentation (BMBF-Bericht, S. 104): Die technische Dokumentation beschreibt die Struktur der Import-/Export-Datenbanktabellen des Simulators.