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Aquatic macrophytes can contribute to the retention of organic contaminants in streams, whereas knowledge on the dynamics and the interaction of the determining processes is very limited. The objective of the present study was thus to assess how aquatic macrophytes influence the distribution and the fate of organic contaminants in small vegetated streams. In a first study that was performed in vegetated stream mesocosms, the peak reductions of five compounds were significantly higher in four vegetated stream mesocosms compared to a stream mesocosm without vegetation. Compound specific sorption to macrophytes was determined, the mass retention in the vegetated streams, however, did not explain the relationship between the mitigation of contaminant peaks and macrophyte coverage. A subsequent mesocosm study revealed that the mitigation of peak concentrations in the stream mesocosms was governed by two fundamentally different processes: dispersion and sorption. Again, the reductions of the peak concentrations of three different compounds were in the same order of magnitude in a sparsely and a densely vegetated stream mesocosm, respectively, but higher compared to an unvegetated stream mesocosm. The mitigation of the peak reduction in the sparsely vegetated stream mesocosm was found to be fostered by longitudinal dispersion as a result of the spatial distribution of the macrophytes in the aqueous phase. The peak reduction attributable to longitudinal dispersion was, however, reduced in the densely vegetated stream mesocosm, which was compensated by compound-specific but time-limited and reversible sorption to macrophytes. The observations on the reversibility of sorption processes were subsequently confirmed by laboratory experiments. The experiments revealed that sorption to macrophytes lead to compound specific elimination from the aqueous phase during the presence of transient contaminant peaks in streams. After all, these sorption processes were found to be fully reversible, which results in the release of the primarily adsorbed compounds, once the concentrations in the aqueous phase starts to decrease. Nevertheless, the results of the present thesis demonstrate that the processes governing the mitigation of contaminant loads in streams are fundamentally different to those already described for non-flowing systems. In addition, the present thesis provides knowledge on how the interaction of macrophyte-induced processes in streams contributes to mitigate loads of organic contaminants and the related risk for aquatic environments.
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.
The role of alternative resources for pollinators and aphid predators in agricultural landscapes
(2021)
Der Verlust zahlreicher Insekten wird weitgehend in Verbindung gebracht mit dem Verlust von natürlichem und halbnatürlichem Lebensraum durch intensivierte Landnutzung. Viele Insekten liefern wichtige Ökosystemleistungen an die Landwirtschaft wie z.B. Bestäubung und Schädlingsbekämpfung. Um diese Insekten effizient auf den verbleibenden halbnatürlichen Flächen zu fördern, ist genaues Wissen über ihre Ansprüche an das Umland von Agrarflächen erforderlich. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Suche nach den wichtigsten halbnatürlichen Habitattypen (Waldrand, Wiesen und halb-offene Habitate) zur Förderung von Nützlingen und Bestäubern aufgrund der Bedeutung von Nahrungsressourcen, welche sie dort nutzen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Blütenressourcen und wie diese räumlich und zeitlich im Kulturland verteilt sind. Darauf basierte Ressourcenkarten versprechen eine Charakterisierung der Landschaft, welche der Relevanz für Insekten näher kommt als klassische Habitatkarten. In dieser These wurde deshalb verglichen, ob sich das Vorkommen von Wildbienen, sowie Nektar und Pollen konsumierenden Nützlingen besser mit klassischen Habitatkarten, oder mit Ressourcenkarten vorhersagen lässt und identifizierte Habitate besonderer Wichtigkeit. Bei Wildbienen wurde untersucht, inwiefern sich Präferenzen verschiedener Gruppen von Wildbienen unterscheiden und ob es zeitliche und räumliche Zusammensetzungen von Blühressourcen gibt, die besonders optimal sind. Da sich Nützlinge nebst der Nutzung von Blüten vor allem räuberisch ernähren, wurde des Weiteren deren Beutespektrum untersucht. Dazu wurde der Darminhalt von Marienkäfern mit genetischen Methoden mittels High Throughput Sequencing auf konsumierte Blattläuse analysiert.
Blütenbasierte Ressourcenkarten sagten Bienen besser voraus als klassische Habitatkarten. Der Waldrand war dabei von besonderer Bedeutung. Sowohl Flächenanteil als auch Blühangebot hatten positive Einflüsse auf Abundanz und Artenreichtum von wichtigen Kulturbestäubern und seltenen Arten. Ähnliche Muster zeigten sich für Wiesendiversität. Dabei schien besonders das frühe Blühangebot einen positiven Einfluss auf Wildbienen zu haben. Kulturen und Obstbäume verursachten im April einen Blütenpuls, der das Blühangebot vom Mai und Juni um mehr als das Zehnfache überstieg. Waldränder boten besonders Anfang Mai und im Juni ein Blühangebot, das im Verhältnis zur Fläche die weitaus höchste Dichte aufwies. Das Blühangebot von Wiesen war äusserst gering, zeigte aber die höchste Diversität, welche regelmässig über die Saison verteilt war.
Obwohl die untersuchten Nützlinge Blüten fürs Überleben benötigen, waren blütenbasierte Habitatkarten weniger geeignet, um die Nützlingsabundanz zu erklären, als herkömmliche Habitatkarten. Diese zeigten, dass Waldränder von besonderer Bedeutung für Nützlinge sind. Die Anzahl der Nützlinge wiederum führte zur Unterdrückung von Blattläusen. Die Resultate der Darmuntersuchungen zeigten zum einen, dass Marienkäfer einen relativ hohen Anteil an schädlichen Blattlausarten und Brennesselblattläusen konsumieren, zum anderen zeigen sie, dass mit Klebfallen gefangene Marienkäfer einen wesentlich breiteren Einblick in das Beutespektrum erlauben, als von Hand gesammelt. Der zu diesem Zweck entwickelte Blattlausprimer wird für kommende Studien bei der Identifizierung der Blattlausbeute von Marienkäfern hilfreich sein.
Unsere Resultate zeigen, dass Blütenkarten einen wichtigen Mehrwert für die Vorhersage von Wildbienen haben, nicht aber von Nützlingen, da für diese wohl andere Habitatfaktoren zusätzlich limitierend wirken. Der positive Einfluss von Waldrändern für unterschiedliche Gruppen von Wildbienen wie auch für Nützlinge und ihre Leistung als Schädlingsbekämpfer ist besonders hervorzuheben.
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.
Despite the significant presence of neuroactive substances in the environment, bioassays that allow to detect diverse groups of neuroactive mechanisms of action are not well developed and not properly integrated into environmental monitoring and chemical regulation. Therefore, there is a need to develop testing methods which are amenable for fast and high-throughput neurotoxicity testing. The overall goal of this thesis work is to develop a test method for the toxicological characterization and screening of neuroactive substances and their mixtures which could be used for prospective and diagnostic hazard assessment.
In this thesis, the behavior of zebrafish embryos was explored as a promising tool to distinguish between different neuroactive mechanisms of action. Recently, new behavioral tests have been developed including photomotor response (PMR), locomotor response (LMR) and spontaneous tail coiling (STC) tests. However, the experimental parameters of these tests lack consistency in protocols such as exposure time, imaging time, age of exposure, endpoint parameter etc. To understand how experimental parameters may influence the toxicological interpretation of behavior tests, a systematic review of existing behavioral assays was conducted in Chapter 2. Results show that exposure concentration and exposure duration highly influenced the comparability between different test methods and the spontaneous tail coiling (STC) test was selected for further testing based on its relative higher sensitivity and capacity to detect neuroactive substances (Chapter 2).
STC is the first observable motor activity generated by the developing neural network of the embryo which is assumed to occur as a result of the innervation of the muscle by the primary motor neurons. Therefore, STC could be a useful endpoint to detect effect on the muscle innervation and also the on the whole nervous system. Consequently, important parameters of the STC test were optimized and an automated workflow to evaluate the STC with the open access software KNIME® was developed (Chapter 3).
To appropriately interpret the observed effect of a single chemical and especially mixture effects, requires the understanding of toxicokinetics and biotransformation. Most importantly, the biotransformation capacity of zebrafish embryos might be limited and this could be a challenge for assessment of chemicals such as organophosphates which require a bioactivation step to effectively inhibit the acetylcholinesterase (AChE) enzyme. Therefore, the influence of the potential limited biotransformation on the toxicity pathway of a typical organophosphate, chlorpyrifos, was investigated in Chapter 5. Chlorpyrifos could not inhibit AChE and this was attributed to possible lack of biotransformation in 24 hpf embryos (Chapter 5).
Since neuroactive substances occur in the environment as mixtures, it is therefore more realistic to assess their combined effect rather than individually. Therefore, mixture toxicity was predicted using the concentration addition and independent action models. Result shows that mixtures of neuroactive substances with different mechanisms of action but similar effects can be predicted with concentration addition and independent action (Chapter 4). Apart
from being able to predict the combined effect of neuroactive substances for prospective risk assessment, it is also important to assess in retrospect the combined neurotoxic effect of environmental samples since neuroactive substances are the largest group of chemicals occurring in the environment. In Chapter 6, the STC test was found to be capable of detecting neurotoxic effects of a wastewater effluent sample. Hence, the STC test is proposed as an effect based tool for monitoring environmental acute and neurotoxic effects.
Overall, this thesis shows the utility and versatility of zebrafish embryo behavior testing for screening neuroactive substances and this allows to propose its use for prospective and diagnostic hazard assessment. This will enhance the move away from expensive and demanding animal testing. The information contained in this thesis is of great potential to provide precautionary solutions, not only for the exposure of humans to neuroactive chemicals but for the environment at large.
By the work presented in this thesis, the CH4 emissions of the River Saar were quantified in space and time continuously and all relevant processes leading to the observed pattern were identified. The direct comparison between reservoir zones and free-flowing intermediate reaches revealed, that the reservoir zones are CH4 emission hot spots and emitted over 90% of the total CH4. On average, the reservoir zones emitted over 80 times more CH4 per square meter than the intermediate reaches between dams (0.23 vs. 19.7 mol CH4 m-2 d-1). The high emission rates measured in the reservoir zones fall into the range of emissions observed in tropical reservoirs. The main reason for this is the accumulation of thick organic rich sediments and we showed that the net sedimentation rate is an excellent proxy for estimating ebullitive emissions. Within the hot spot zones, the ebullitive flux enhanced also the diffusive surface emissions as well as the degassing emissions at dams.
To resolve the high temporal variability, we developed an autonomous instrument for continuous measurements of the ebullition rate over long periods (> 4 weeks). With this instrument we could quantify the variability and identify the relevant trigger mechanisms. At the Saar, ship-lock induces surges and ship waves were responsible for over 85% of all large ebullition events. This dataset was also used to determine the error associated with short sampling periods and we found that with sampling periods of 24 hours as used in other studies, the ebullition rates were systematically underestimated by ~50%. Measuring the temporal variability enabled us to build up a conceptual framework for estimating the temporal pattern of ebullition in other aquatic systems. With respect to the contribution of freshwater systems to the global CH4 emissions, hot spot emission sites in impounded rivers have the potential to increase the current global estimate by up to 7%.
Aktuelle Schätzungen bestätigten, dass Binnengewässer eine erhebliche Menge Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sowohl auf regionaler Ebene, als auch global freisetzen. Jedoch basieren diese Schätzungen auf extrapolierten gemessenen Daten, ungenügender Auflösung der räumlich-zeitlichen Variabilität und es mangelt an Daten aus ariden und semi-ariden Gebieten, sowie den Kohlestoffquellen aus Kläranlagen.
Für die hier vorliegende Studie analysierten wir monatliche hydrologische und meteorologische Daten sowie Daten zur Wasserqualität von drei Stauseen aus dem Gebiet des unteren Jordans, die zur Trinkwassergewinnung und zur Bewässerung genutzt werden, und schätzten damit deren Emissionsrate an CO2 ab. Wir untersuchten den Effekt von Kläranlagen auf die umliegenden Gewässer im Hinblick auf CH4 und CO2-Emissionen indem wir saisonal aufgelöste Daten der Konzentration der beiden gelösten Gase in Kläranlagenauslässen und in Vorflutern von neun Kläranlagen in Deutschland analysierten. Mithilfe von Low-Cost-Methoden die die CO2-Transportrate und die Ausgasungsrate über Gasblasen messen, untersuchten wir die räumliche und zeitliche Variabilität der CH4 und CO2-Emissionen von aquatischen Süßwasser-Ökosystemen.
Unsere Schätzungen zeigen, dass Stauseen in semi-ariden Regionen CO2 übersättigt sind und somit CO2 an die Atmosphäre abgeben, also eine Netto-Quelle sind.
Die Größenordnung der beobachteten Transportraten der drei jordanischen Stauseen ist vergleichbar mit denen von tropischen Stauseen (3,3 g CO2 m-2 Tag-1). Die CO2-Emissionsrate ist abhängig von Änderungen der Wasseroberfläche, welche durch den Betrieb der Stauseen verursacht sind. Kläranlagen entlassen eine beachtlichen Menge an CH4 (30.9±40.7 kg Jahr-1) und CO2 (0.06±0.05 Gg Jahr-1) in ihre umgebenden Flüsse und Bäche. Deren Emissionsraten sind durch diese Einleitung der Kläranlagen um 1,2-fach für CH4 oder 8,6-fach für CO2 erhöht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl die diffusive als auch die Gasblasenemissionsrate räumlich und zeitlich variabel ist, weshalb beide Emissionsraten bei zukünftigen Studien auch in der nötigen Auflösung gemessen werden sollten.
Wir schlussfolgern, dass bei zukünftigen Emissionsmessungen und –schätzungen von Binnengewässern auch die Gewässerbewirtschaftung, die Kohlenstoffquelle von Kläranlagen und die räumliche und zeitliche Variabilität der Emissionen beachtet werden sollten.
Chemical plant protection is an essential element in integrated pest management and hence, in current crop production. The use of Plant Protection Products (PPPs) potentially involves ecological risk. This risk has to be characterised, assessed and managed.
For the coming years, an increasing need for agricultural products is expected. At the same time, preserving our natural resources and biodiversity per se is of equally fundamental importance. The relationship of our economic success and cultural progress to protecting the environment has been made plain in the Ecosystem Service concept. These distinct 'services' provide the foundation for defining ecological protection goals (Specific Protection Goals, SPGs) which can serve in the development of methods for ecological risk characterisation, assessment and management.
Ecological risk management (RM) of PPPs is a comprehensive process that includes different aspects and levels. RM is an implicit part of tiered risk assessment (RA) schemes and scenarios, yet RM also explicitly occurs as risk mitigation measures. At higher decision levels, RM takes further risks, besides ecological risk, into account (e.g., economic). Therefore, ecological risk characterisation can include RM (mitigation measures) and can be part of higher level RM decision-making in a broader Ecosystem Service context.
The aim of this thesis is to contribute to improved quantification of ecological risk as a basis for RA and RM. The initial general objective had been entitled as "… to estimate the spatial and temporal extent of exposure and effects…" and was found to be closely related to forthcoming SPGs with their defined 'Risk Dimension'.
An initial exploration of the regulatory framework of ecological RA and RM of PPPs and their use, carried out in the present thesis, emphasised the value of risk characterisation at landscape-scale. The landscape-scale provides the necessary and sufficient context, including abiotic and biotic processes, their interaction at different scales, as well as human activities. In particular, spatially (and temporally) explicit landscape-scale risk characterisation and RA can provide a direct basis for PPP-specific or generic RM. From the general need for tiered landscape-scale context in risk characterisation, specific requirements relevant to a landscape-scale model were developed in the present thesis, guided by the key objective of improved ecological risk quantification. In principle, for an adverse effect (Impact) to happen requires a sensitive species and life stage to co-occur with a significant exposure extent in space and time. Therefore, the quantification of the Probability of an Impact occurring is the basic requirement of the model. In a landscape-scale context, this means assessing the spatiotemporal distribution of species sensitivity and their potential exposure to the chemical.
The core functionality of the model should reflect the main problem structures in ecological risk characterisation, RA and RM, with particular relationship to SPGs, while being adaptable to specific RA problems. This resulted in the development of a modelling framework (Xplicit-Framework), realised in the present thesis. The Xplicit-Framework provides the core functionality for spatiotemporally explicit and probabilistic risk characterisation, together with interfaces to external models and services which are linked to the framework using specific adaptors (Associated-Models, e.g., exposure, eFate and effect models, or geodata services). From the Xplicit-Framework, and using Associated-Models, specific models are derived, adapted to RA problems (Xplicit-Models).
Xplicit-Models are capable of propagating variability (and uncertainty) of real-world agricultural and environmental conditions to exposure and effects using Monte Carlo methods and, hence, to introduce landscape-scale context to risk characterisation. Scale-dependencies play a key role in landscape-scale processes and were taken into account, e.g., in defining and sampling Probability Density Functions (PDFs). Likewise, evaluation of model outcome for risk characterisation is done at ecologically meaningful scales.
Xplicit-Models can be designed to explicitly address risk dimensions of SPGs. Their definition depends on the RA problem and tier. Thus, the Xplicit approach allows for stepwise introduction of landscape-scale context (factors and processes), e.g., starting at the definitions of current standard RA (lower-tier) levels by centring on a specific PPP use, while introducing real-world landscape factors driving risk. With its generic and modular design, the Xplicit-Framework can also be employed by taking an ecological entity-centric perspective. As the predictive power of landscape-scale risk characterisation increases, it is possible that Xplicit-Models become part of an explicit Ecosystem Services-oriented RM (e.g., cost/benefit level).