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Agricultural pesticides, especially insecticides, are an integral part of modern farming. However, these may often leave their target ecosystems and cause adverse effects in non- target, especially freshwater ecosystems, leading to their deterioration. In this thesis, the focus will be on Insect Growth Regulators (IGRs) that can in many ways cause disruption of the endocrine system of invertebrates. Freshwater invertebrates play important ecological, economic and medical roles, and disruption of their endocrine systems may be crucial, considering the important role hormones play in the developmental and reproductive processes in organisms. Although Endocrine Disruption Chemicals (EDCs) can affect moulting, behaviour, morphology, sexual maturity, time to first brood, egg development time, brood size (fecundity), and sex determination in invertebrates, there is currently no agreement upon how to characterize and assess endocrine disruption (ED). Current traditional ecotoxicity tests for Ecological Risk Assessment (ERA) show limitations on generating data at the population level that may be relevant for the assessment of EDCs, which effects may be sublethal, latent and persist for several generations of species (transgenerational).
It is therefore the primary objective of this thesis to use a test method to investigate adverse effects of EDCs on endpoints concerning development and reproduction in freshwater invertebrates. The full life-cycle test over two generations that includes all sensitive life stages of C. riparius (a sexual reproductive organism) allows an assessment of its reproduction and should be suitable for the investigation of long-term toxicity of EDCs in freshwater invertebrates. C. riparius is appropriate for this purpose because of its short life cycle that enables the assessment of functional endpoints of the organism over several generations. Moreover, the chironomid life cycle consists of a complete metamorphosis controlled by a well-known endocrine mechanism and the endocrine system of insects has been most investigated in great detail among invertebrates. Hence, the full life-cycle test with C. riparius provides an approach to assess functional endpoints (e.g. reproduction, sex ratio) that are population-relevant as a useful amendment to the ERA of EDCs. In the laboratory, C. riparius was exposed to environmentally-relevant concentrations of the selected IGRs in either spiked water or spiked sediment scenario over two subsequent generations.
The results reported in this thesis revealed significant effects of the IGRs on the development and the reproduction of C. riparius with the second (F1) generation showing greater sensitivity. These findings indicated for the first time the suitability of multigenerational testing for various groups of EDCs and strongly suggested considering the full life-cycle of C. riparius as an appropriate test method for a better assessment of EDCs in the freshwater environment. In conclusion, this thesis helps to detect additional information that can be extrapolated at population level and, thus, might contribute to better protection of freshwater ecosystems against the risks of Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs.) It may furthermore contribute to changes in the ERA process that are necessary for a real implementation of the new European chemical legislation, REACH (Registration, Evaluation Authorization and Restriction of Chemicals). Finally, significant interactions between temperature, chemical exposure and generation were reported for the first time and, may help predict impacts that may occur in the future, in the field, under predicted climate change scenarios.
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.
In the new epoch of Anthropocene, global freshwater resources are experiencing extensive degradation from a multitude of stressors. Consequently, freshwater ecosystems are threatened by a considerable loss of biodiversity as well as substantial decrease in adequate and secured freshwater supply for human usage, not only on local scales, but also on regional to global scales. Large scale assessments of human and ecological impacts of freshwater degradation enable an integrated freshwater management as well as complement small scale approaches. Geographic information systems (GIS) and spatial statistics (SS) have shown considerable potential in ecological and ecotoxicological research to quantify stressor impacts on humans and ecological entitles, and disentangle the relationships between drivers and ecological entities on large scales through an integrated spatial-ecological approach. However, integration of GIS and SS with ecological and ecotoxicological models are scarce and hence the large scale spatial picture of the extent and magnitude of freshwater stressors as well as their human and ecological impacts is still opaque. This Ph.D. thesis contributes novel GIS and SS tools as well as adapts and advances available spatial models and integrates them with ecological models to enable large scale human and ecological impacts identification from freshwater degradation. The main aim was to identify and quantify the effects of stressors, i.e climate change and trace metals, on the freshwater assemblage structure and trait composition, and human health, respectively, on large scales, i.e. European and Asian freshwater networks. The thesis starts with an introduction to the conceptual framework and objectives (chapter 1). It proceeds with outlining two novel open-source algorithms for quantification of the magnitude and effects of catchment scale stressors (chapter 2). The algorithms, i.e. jointly called ATRIC, automatically select an accumulation threshold for stream network extraction from digital elevation models (DEM) by assuring the highest concordance between DEM-derived and traditionally mapped stream networks. Moreover, they delineate catchments and upstream riparian corridors for given stream sampling points after snapping them to the DEM-derived stream network. ATRIC showed similar or better performance than the available comparable algorithms, and is capable of processing large scale datasets. It enables an integrated and transboundary management of freshwater resources by quantifying the magnitude of effects of catchment scale stressors. Spatially shifting temporal points (SSTP), outlined in chapter 3, estimates pooled within-time series (PTS) variograms by spatializing temporal data points and shifting them. Data were pooled by ensuring consistency of spatial structure and temporal stationarity within a time series, while pooling sufficient number of data points and increasing data density for a reliable variogram estimation. SSTP estimated PTS variograms showed higher precision than the available method. The method enables regional scale stressors quantification by filling spatial data gaps integrating temporal information in data scarce regions. In chapter 4, responses of the assumed climate-associated traits from six grouping features to 35 bioclimatic indices for five insect orders were compared, their potential for changing distribution pattern under future climate change was evaluated and the most influential climatic aspects were identified (chapter 4). Traits of temperature preference grouping feature and the insect order Ephemeroptera exhibited the strongest response to climate as well as the highest potential for changing distribution pattern, while seasonal radiation and moisture were the most influential climatic aspects that may drive a change in insect distribution pattern. The results contribute to the trait based freshwater monitoring and change prediction. In chapter 5, the concentrations of 10 trace metals in the drinking water sources were predicted and were compared with guideline values. In more than 53% of the total area of Pakistan, inhabited by more than 74 million people, the drinking water was predicted to be at risk from multiple trace metal contamination. The results inform freshwater management by identifying potential hot spots. The last chapter (6) synthesizes the results and provides a comprehensive discussion on the four studies and on their relevance for freshwater resources conservation and management.
Aktuelle Entwicklungen in der Europäischen Gesetzgebung fordern die Umsetzung von Risikominderungsmaßnahmen, die diffuse Einträge von Pestiziden in Oberflächengewässer und deren Schadwirkung mindern sollen. Bepflanzte Gräben und Feuchtgebiete (vegetated treatment systems: VTS) bieten die Möglichkeit potenzielle Schadwirkung von Pestizideinträgen infolge von Oberflächenabflussereignissen zu mindern, die mit anderen Maßnahmen unvermeidbar wären. Versuche in experimentellen Feuchtgebieten und bepflanzten Gräben wurden durchgeführt, um die Funktionstüchtigkeit möglicher Systeme zu untersuchen. In fünf Rückhaltebecken und zwei bepflanzten Gräben in der Weinbauregion Südpfalz (Südwestdeutschland) wurde von 2006 bis 2009 eine umfangreiche Beprobung von belastetem Wasser nach Starkregenereignissen vorgenommen und die Reduktionsleistung der Systeme bezüglich der eingetragenen Konzentrationen ermittelt. Der Einfluss von Pflanzendichte, Größe der Systeme und Eigenschaften der eingetragenen, bzw. experimentell eingespeisten Substanzen war Schwerpunkt bei der Auswertung der Ergebnisse. Zur Vorhersage der Gewässerbelastung nach niederschlagsbezogenem Oberflächenabfluss wurde in einer Geoinformationsumgebung (GIS) ein Simulationswerkzeug entwickelt. Das Werkzeug arbeitet mit einer sehr exakten Datenbank von hoher räumlicher Auflösung auf Europäischer Ebene. Basierend auf den Erkenntnissen der Experimente, den Ergebnissen der beprobten Gewässer und weiteren Daten von anderen Systemen, die im EU-Life Projekt ArtWET erhoben wurden, ist ein zweites räumliches Werkzeug entstanden, das zur Entscheidungsunterstützung dient und mit dem Risikominderungsmaßnahmen simuliert werden können. Ergebnisse der Experimente und Feldstudien zeigen, dass in experimentellen Feuchtgebieten und bepflanzten Gräben Reduktionen von über 90% der eingetragenen Pestizidkonzentrationen möglich sind. Bepflanzte Gräben und Feuchtgebiete zeigten signifikant bessere Reduktion als unbepflanzte. Pflanzendichte und Sorptivität an organischen Kohlenstoff wurden als Variablen mit der größten Erklärungskraft für die Zielvariable Reduktion der Pestizidkonzentrationen identifiziert (im Gräben-Mesokosmos konnten 65% der Variabilität mit den Variablen Pflanzendichte und KOC erklärt werden. In der Feldstudie wurde gezeigt, dass Fungizidkonzentrationen innerhalb der Rückhaltebecken (Median 38%) und bepflanzten Gräben (Median 56%) signifikant reduziert wurden. Die Regressionsanalyse mit diesen Daten zeigte, dass neben der Pflanzendichte auch die Größe der Systeme Einfluss auf die Reduktion der Pestizidkonzentrationen hat (DP: R²=0.57, p<0.001; VD:
R²=0.19, p<0.001). Die Datenbank für die GIS Werkzeuge wurde mit frei verfügbaren Europäischen Daten aufgebaut. Der erweiterte, von der OECD empfohlene REXTOX Risikoindikator wurde modifiziert und für die Risikomodellierung für alle Agrargewässer auf Europäischer Ebene angewandt. Die Ergebnisse der Risikosimulationen bieten die Datenbasis für das zweite Werkzeug, in dem auch die VTS als Risikominderungsmaßnahme eingearbeitet sind. Die Berechnung der Risikominderungsmaßnahmen kann für die einzelnen Kulturen, ausgewählte Gebiete und unterschiedliche Pestizide durchgeführt werden. Kosten für die Risikominderungsmaßnahmen werden ermittelt. Die Ergebnisse liefern wichtige neue Erkenntnisse zur Nutzung von bepflanzten Systemen als Risikominderungsmaßnahmen für diffuse Pestizideinträge in Agrargewässer. Die Proben der Weinbaugewässer zeigen, dass auch die bisher schlecht untersuchte Gruppe der Fungizide nachteilige Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme haben kann. Die entwickelten GIS Werkzeuge sind leicht anwendbar und damit nicht nur als Basis für zukünftige Untersuchungen geeignet, sondern auch als Entscheidungsunterstützung in der praktischen Umsetzung außerhalb der Forschung hilfreich. Auf Europäischer Ebene können die GIS-Werkzeuge einerseits externe Kosten der Gewässerverschmutzung durch diffuse Pflanzenschutzmitteleinträge berechnen, indem die Kosten der unterschiedlichen Risikominderungsmaßnahmen abgeschätzt werden. Andererseits kann die Simulation der Maßnahmen bei der Entscheidungsfindung zur Umsetzung der Vorgaben der Wasserrahmenrichtlinie helfen. Zukünftige Studien sind insbesondere im Bereich der Fungizidbelastung von Oberflächengewässern und der langfristigen Funktionstüchtigkeit von bewachsenen Gräben und Feuchtgebieten als Risikominderungsmaßnahmen notwendig.
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.
Weltweit sind ein Drittel bis die Hälfte der Flusskrebsarten von Populationsrückgang oder Aussterben bedroht. Neben einer Verschlechterung der Habitate, Umweltverschmutzung und anderen vom Menschen verursachten Umweltveränderungen stellen eingeschleppte exotische Arten und Krankheitserreger eine große Bedrohung für das Überleben europäischer Flusskrebsarten dar. Flusskrebse sind die größten Wirbellosen in limnischen Systemen und haben einen entsprechend großen Einfluss auf die Struktur der Nahrungsnetze. Das Verschwinden von Flusskrebsen aus einem Gewässer kann Nahrungsnetze verändern und somit dramatische Konsequenzen für ein Ökosystem zur Folge haben. Ein Ziel im modernen Artenschutz ist die Erhaltung der genetischen Vielfalt. Eine hohe genetische Vielfalt ist für das langfristige Überleben einer Art von Vorteil.
Das Hauptziel meiner Arbeit war es, die genetische Struktur des gefährdeten Edelkrebses (Astacus astacus) in seinem europäischen Verbreitungsgebiet zu untersuchen und die besonders schützenswerten genetische 'Hotspots' zu identifizieren (Teil 1 der Dissertation). Die größte Bedrohung für die Diversität europäischer Flusskrebsarten stellt der Krebspesterreger Aphanomyces astaci dar. Daher muss die Verbreitung des Krankheitserregers bei Schutzprogrammen beachtet werden.
Im zweiten Teil der Dissertation untersuchte ich neue Aspekte der Verbreitung von A. astaci. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für zukünftige Artenschutzprogramme für Flusskrebse.
Im ersten Teil dieser Arbeit führte ich eine phylogeographische Analyse der Edelkrebse durch, um genetische 'Hotspots' zu identifizieren und die nacheiszeitliche Wiederbesiedlung Zentraleuropas durch diese Art zu rekonstruieren. Mit mitochondrialer DNA und nuklearen Mikrosatelliten-Markern ermittelte ich eine hohe genetische Vielfalt in Südosteuropa, die darauf hinweist, dass der Edelkrebs die kalten Klimaphasen des Pleistozäns in diesem Gebiet überdauerte (Appendix 1). Wegen der hohen genetischen Vielfalt ist Südosteuropa von besonderer Bedeutung für den Schutz des Edelkrebses. Die mitochondriale DNA-Analyse deutet auf eine gegabelte Kolonisierung vom unteren Donaueinzugsgebiet in a) das Einzugsgebiet der Nordsee und b) das Einzugsgebiet der Ostsee hin (Kapitel 2). Ein zweites, unabhängiges Refugium, welches im westlichen Balkan lokalisiert wurde, hat vermutlich nicht zur Besiedlung Mitteleuropas beigetragen. Außerdem stellte ich fest, dass die natürliche genetische Struktur teilweise überlagert ist, wahrscheinlich aufgrund des hohen menschlichen Einflusses auf die Verbreitung des Edelkrebses (bspw. künstliche Translokation). Im zweite Teil dieser Arbeit konnte ich mittels real-time-PCR ermitteln, dass neben den bekannten drei nordamerikanischen Flusskrebsarten auch Kalikokrebse (Orconectes immunis) Träger des Krebspesterregers sind (Kapitel 3). Des Weiteren habe ich den Krebspesterrreger in der unteren Donau in Rumänien an amerikanischen Kamberkrebsen (Orconectes limosus) und europäischen Galizierkrebsen (Astacus leptodactylus) nachweisen können (Kapitel 4). Die Ausbreitung der infizierten Kamberkrebse bis in die untere Donau stellt eine große Bedrohung für die Artenvielfalt in Südosteuropa dar und zeigt das hohe Invasionspotential der Kamberkrebse. Darüber hinaus stellte ich fest, dass auch einheimische Galizierkrebse im Donaudelta, etwa 970 km hinter der aktuellen Invasionsfront des Kamberkrebses, Träger von A. astaci sind (Kapitel 5). Diese Erkenntnis ist von besonderer Bedeutung, da die einheimischen Arten offenbar nicht an der Infektion leiden. Die Untersuchung koexistierender Populationen europäischer und amerikanischer Flusskrebse ergab, dass die Abwesenheit des Krebspesterregers in diesen Populationen die wahrscheinlichste Erklärung für die erfolgreiche Koexistenz in den untersuchten Gewässern in Mitteleuropa ist (Kapitel 6). Die Ergebnisse meiner Dissertation zeigen neue Aspekte, die von hoher Relevanz für den Schutz und Erhalt einheimischer Flusskrebsarten und deren genetischer Vielfalt sind: 1)Die genetische Diversität des Edelkrebses ist in Südosteuropa am höchsten. Dort überdauerten Edelkrebse die letzte Eiszeit in mindestens zwei unabhängigen Refugien. 2) Nicht alle amerikanischen Flusskrebspopulationen sind Träger der Krebspest und 3) nicht alle europäischen Flusskrebspopulationen sterben innerhalb kurzer Zeit an einer Infizierung mit dem Krebspesterreger. Um einheimische Flusskrebse und deren (genetische) Vielfalt langfristig zu erhalten, dürfen keine weiteren amerikanischen Flusskrebse in der Natur ausgesetzt werden. Das unbefugte Aussetzen wird jedoch erst zurückgehen, wenn der Handel mit exotischen Flusskrebsen verboten wird.
Feldsäume gehören zu den letzten verbliebenen Lebensräumen für Wildpflanzenarten in der Agrarlandschaft. Aufgrund ihrer unmittelbaren Nähe zu den bewirtschafteten Flächen kann jedoch ihre Vegetation durch den Eintrag von Agrarchemikalien beeinträchtigt werden. Das Ziel dieser Arbeit war es die Einzel-, und Kombinationseffekte von Herbizid-, Insektizid- und Düngereinträgen auf die Pflanzengemeinschaft eines Feldsaums zu untersuchen. Es wurde ein 3-jähriges Freilandexperiment mit einem randomisierten Blockdesign, bestehend aus 7 Behandlungen (H: Herbizid, I: Insektizid, D: Dünger, H+I, D+I, D+H, D+H+I) und einer Kontrolle mit jeweils 8 Replikaten (= Parzellen), auf einer Wiese durchgeführt. Die Parzellen hatten je eine Größe von 8 m × 8 m und waren durch 2 m breite Wege voneinander getrennt. Die für die Behandlung der Parzellen verwendeten Dünger- (25 % der Feldrate) und Pestizidraten (30 % der Feldrate) entsprachen realistischen Eintragsraten (Überspritzung + Abdrift) in den ersten Meter eines Feldsaums in Nachbarschaft zu einem Getreidefeld.
Die Studie zeigte, dass Dünger- und Herbizideinträge wesentliche Faktoren darstellen, welche die natürliche Pflanzengemeinschaft in Feldsäumen beeinflussen. 20 der 26 häufigsten auf der Wiese vorkommenden Arten zeigten signifikante Effekte durch die Dünger- und Herbizidbehandlung. Die Düngung förderte stickstoffliebende Pflanzenarten und reduzierte das Vorkommen von kleinwüchsigen Arten. Durch das Herbizid wurden drei Pflanzenarten bereits im ersten Jahr fast vollkommen verdrängt, während andere Arten hauptsächlich subletale Effekte (z.B. phytotoxische Effekte, eine bis zu 100 % reduzierte Samenproduktion) vorwiesen. Werden Feldsäume allerdings über mehrere Jahre Agrarchemikalien ausgesetzt, führen auch diese subletalen Effekte (insbesondere Effekte auf die Reproduktion) zu einer Reduzierung der Populationsgröße, wie in dem Feldversuch beobachtet werden konnte. Die Kombinationsbehandlung von Dünger und Herbizid führte zu signifikanten Interaktionseffekten, welche sich nicht von den Effekten der Einzelbehandlungen extrapolieren ließen. Die Dünger- und Herbizideffekte intensivierten sich über den Untersuchungszeitraum, führten nach 3-jähriger Anwendung zu einer Veränderung in der Pflanzengemeinschaft, und reduzierten die Pflanzendiversität um 15 % im Vergleich zur Kontrolle. Das Insektizid wirkte sich signifikant auf das Vorkommen von zwei Pflanzenarten aus (1 positiver, 1 negativer Effekt). Die Ergebnisse des Feldversuchs lassen darauf schließen, dass eine fortführende Behandlung zu weiteren Gemeinschaftsveränderungen und wahrscheinlich auch zum Verschwinden bestimmter Pflanzenarten führen würde. Es war eine Tendenz zur Ausbildung von Gras-Dominanzbeständen zu erkennen, welche einen Verlust von Blütenpflanzen mit sich brachte. Dies konnte auch in eigenen Monitoringstudien in Feldsäumen beobachtet werden.
Zwar zielt die Risikobewertung von Herbiziden darauf ab Nichtziel-Pflanzen in Habitaten außerhalb des bewirtschafteten Feldes vor nachteiligen Auswirkungen zu schützen, Reproduktionseffekte und Kombinationseffekte werden bisher jedoch nicht berücksichtigt. Zudem gibt es keine Regelungen zur Düngeranwendung in Nachbarschaft zu Feldsäumen, weshalb Düngereinträge in Feldsäume und deren Interaktion mit Herbizideffekten sehr wahrscheinlich sind.
Anpassungen der derzeitigen Risikobewertung, eine Entwicklung von Risikominderungsstrategien für die Herbizid- und Düngerapplikation, sowie generelle Managementmaßnahmen für Feldsäume sind daher dringend notwendig, um die Pflanzendiversität in Feldsäumen zu erhöhen und zu schützen.
Diese Habilitationsschrift befasst sich mit den Auswirkungen von Schadstoffen auf Süßwasser-Ökosysteme und betrachtet dabei verschiedene Schadstofftypen (Pestizide, generelle organische Schadstoffe, Sanität) und biotische Endpunkte (taxonomische Gemeinschafsstruktur, merkmalsbezogene Gemeinschafsstruktur, Ökosystemfunktionen).
Die Habilitationsschrift besteht aus 12 peer-reviewed internationalen Publikationen zu diesen Themen. Alle Studien beruhen auf Daten aus Mesokosmen und Feldstudien, oder auf der Analyse von Daten des biologischen und chemischen Monitorings. Weitere Details zu den individuellen Publikationen finden sich in der englischen Zusammenfassung.
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.
Der zunehmende Einsatz von Titandioxid-Nanopartikeln (nTiO2) birgt das Risiko eines erhöhten Eintrags in Oberflächengewässer, wo diese mit weiteren anthropogenen Stressoren (z.B. Schwermetalle) vorkommen können. Das gemeinsame Auftreten ermöglicht die Adsorption von Schwermetallen an nTiO2, welche aufgrund ihrer Agglomeration häufig aussedimentieren. Somit können Nanopartikel mit den adsorbierten Metallionen potentiell für pelagische aber auch benthische Organismen ein Risiko darstellen. Die kombinierte Toxizität von nTiO2 und Schwermetallen wird vermutlich durch die Eigenschaften der Stressoren, aber auch durch verschiedene Umweltparameter (z.B. organisches Material, pH, Ionenstärke) bestimmt.
Allerdings wurde der Einfluss dieser Faktoren bisher nicht systematisch untersucht. Daher zielte diese Arbeit darauf ab den Effekt von verschiedenen nTiO2-Produkten, welche sich in der Zusammensetzung der kristallinen Struktur unterschieden, auf die Toxizität von Kupfer (als Stellvertreter für Schwermetalle) für den pelagischen Testorganismus Daphnia magna in Gegenwart von verschiedenen Formen und Konzentrationen organischen Materials zu untersuchen. Es ist anzunehmen, dass die Dauer der Interaktion (=Alterung) die kombinierte Toxizität der Stressoren beeinflusst. Ergänzend wurde deshalb der Einfluss von nTiO2 auf die Kupfer-Toxizität nach einer Alterung unter dem Einfluss verschiedener Umweltparameter (nämlich organisches Material, pH, Ionenstärke) untersucht.
Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der wesentlichen Ergebnisse auf benthisch lebende Organismen mit Gammarus fossarum geprüft. Die vorliegende Arbeit zeigte für alle untersuchten Szenarien eine reduzierte Kupfer-Toxizität in Gegenwart von nTiO2, unabhängig von deren kristallinen Struktur. Dieser Effekt ließ sich auch auf benthische Lebewesen übertragen, obwohl die Exposition durch die Anwesenheit von nTiO2 aufgrund der Sedimentation mit dem adsorbierten Kupfer potenziell erhöht war.
Die erzielten Beobachtungen legen eine Verwendung von nTiO2 zur Aufreinigung von beispielsweise Abwasser nahe. Allerdings sollten potentielle Nebeneffekte (z.B. chronische Toxizität, Bildung von Sauerstoffradikalen) zunächst gründlich untersucht werden. Darüber hinaus sind die Übertragbarkeit auf andere Stressoren (z.B. andere Schwermetalle, organische Chemikalien) und der Verbleib von Schwermetallen in aquatischen Ökosystemen nach einer Sorption an nTiO2 ungewiss und bedürfen weiterer Forschung.
Der Verlust der Biodiversität wird sowohl auf einer globalen Skala als auch für die anthropogen geformten Landschaften, die heute fast 50% der terrestrischen Landfläche ausmachen, festgestellt. Auf den landwirtschaftlichen Anbauflächen werden Pestizide, biologisch aktive Chemikalien, ausgebracht um Schädlinge, Krankheiten und Unkräuter zu kontrollieren. Um die Auswirkung der Pestizide auf die Biodiversität zu verstehen ist die Quantifizierung der verbliebenen semi-natürlichen Strukturen wie Feldsäume und Hecken, die Organismen in Agrarlandschaften als Habitat dienen, eine Voraussetzung. Für eine Abschätzung ihrer potentiellen Pestizidexposition ist zudem die Anwesenheit der Organismen in diesen Habitaten und in den Feldkulturen notwendig. Im vorliegenden Text stelle ich Studien für Tiergruppen wie Amphibien, Fledermäuse und Motten vor, die bisher nicht in der Risikobewertung für Pestizide berücksichtigt worden sind. Für alle Gruppen wurde dargelegt, dass sie sowohl in der Agrarlandschaft leben als auch potentiell mit Pestiziden in Kontakt kommen und daher ein Risiko angezeigt ist. Für die Risikobetrachtung sind auch Informationen zur Empfindlichkeit der Organismen notwendig und hier werden neue Daten für Pflanzen, Amphibien und Bienen vorgestellt. Effekte die bis auf die Gemeinschaftsebene wirksam waren, wurden für die Auswirkungen von Herbizid, Insektizid und Dünger in einem natürlichen System betrachtet. Das Ergebnis nach drei Behandlungsjahren waren vereinfachte Pflanzengemeinschaften mit geringerer Artenzahl und einer reduzierten Anzahl von Blütenpflanzen. Die Abnahme an Blüten stellt ein Beispiel eines indirekten Effekts dar und war für die Effekte eines Herbizids auf den scharfen Hahnenfuß besonders auffällig. Subletale Herbizideffekte für Pflanzen hatten einen Einfluss auf daran fressende Raupen was durch eine Verminderung der Nahrungsqualität erklärbar ist. Für Feldsäume realistische Insektizidmengen reduzierten die Bestäubung der weißen Lichtnelke durch Motten um 30%. Diese indirekten Effekte durch Veränderungen im Nahrungsnetz spielen eine kritische Rolle für das Verständnis des Rückgangs von verschiedenen Organismengruppen, allerdings werden sie bisher nicht in die Risikobewertung von Pestiziden mit einbezogen. Der aktuelle intensive Pestizideinsatz in der Landwirtschaft und ihre hohe Toxizität könnten zu einer chemisch fragmentierten Landschaft führen in der Population nicht mehr verbunden sind und damit deren Größe und genetische Struktur beeinflussen. Die Modellierung von möglichen Pestizideffekten als Kosten für die Anwanderung von Amphibien zu Fortpflanzungsgewässern in Weinbergen in Rheinland-Pfalz zeigte die Isolation der untersuchten Populationen an. Eine erste Validierung für den Grasfrosch bestätigte die Modellvorhersagen für einige Populationen. Für den terrestrischen Bereich der Risiko-bewertung ist eine Vielzahl von Richtlinien vorhanden oder wird aktuell entwickelt oder verbessert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten zeigen, dass vor allem die reproduktiven Blütenstadien von Pflanzen sehr empfindlich sind und ihr Risiko unterschätz ist. Die Erholung von Arthropodenpopulationen nach Pestizideffekten muss auf Landschafts-ebene neu bemessen werden und eine Risikobewertung für Amphibien für die Zulassung wird vorgeschlagen. Die Etablierung und Anpassung von Risikobewertungssystemen ist allerdings ein zeitaufwändiger Prozess und daher stellt die Entwicklung von Risikomanagementmaßnahmen eine pragmatische Alternative mit unmittelbaren Auswirkungen dar. Künstliche Gewässer der Agrarlandschaft sind wichtige Nahrungsgebiete für Fledermäuse und ihre Anlage würde negative Auswirkungen des Pestizideinsatzes abschwächen. Die Einbindung von direkten und indirekten Effekten für alle Organismengruppen in eine Risikobewertung in der auch der Landschaftsmaßstab und Pestizidmischungen betrachtet werden wird viel Entwicklungszeit benötigen. Die Etablierung von Modellandschaften in der Managementmaßnahmen und integrierter Pflanzenschutz auf größerer Skala angewendet werden, würde es uns jedoch erlauben die Auswirkungen von Pestiziden in einem realistischen Szenario zu untersuchen und Ansätze für die Landwirtschaft der Zukunft zu entwickeln.
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.
Factors triggering the ecotoxicity of metal-based nanoparticles towards aquatic invertebrates
(2015)
Heutzutage werden Nanopartikel in großem Maßstab produziert, weshalb deren Eintrag in Oberflächengewässer immer wahrscheinlicher wird. Dort angelangt unterliegen sie verschiedenen umweltbedingten (Oberflächen-)Modifikationen, die in letzter Konsequenz eine Vielfalt von Nanopartikel-Agglomeraten unterschiedlicher Größe hervorbringen. Direkt davon betroffen sind aquatische Lebewesen, die einer entsprechenden Nanopartikelexposition in der Wasserphase ausgesetzt sind.
Nach Sedimentation der Agglomerate können aber ebenfalls benthische Organismen betroffen sein. Bisherige ökotoxikologische Untersuchungen haben solche umweltbedingten Einflüsse außer Acht gelassen und viel mehr nanopartikel-spezifische Charakteristika auf deren Wirkweise gegenüber pelagischen Vertretern untersucht. Aus diesem Grund ist eine systematische Untersuchung derer Faktoren von Nöten, die den Verbleib und das Verhalten aber auch die Toxizität von Nanopartikeln in der Umwelt maßgeblich beeinflussen. Die kumulative Arbeit dieser Dissertation macht sich dies zum Ziel und hinterfragt entsprechende Faktoren die einerseits durch Nanopartikel assoziierte Aspekte (definiert als i) inhärente Stoffeigenschaft des untersuchten Materials und ii) Nanopartikel Charakteristika)) und andererseits durch Umweltbedingungen in Oberflächengewässern geprägt sind. In diesem Kontext wurden verschiedene ökotoxikologische Untersuchungen mit inerten Titandioxid Nanopartikeln (nTiO2) und Ionen freisetzenden Silber Nanopartikeln (nAg) unter Berücksichtigung verschiedener Nanopartikel Charakteristika (z.B. initiale Partikelgröße, Oberflächengröße) und Umweltbedingungen (z.B. Ionenstärke, ultraviolettes Licht (UV-Licht)), durchgeführt.
Als Testorganismen dienten dazu die pelagischen bzw. benthischen Vertreter Daphnia magna und Gammarus fossarum. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass die Toxizität von nTiO2 und nAg gegenüber Daphnien maßgeblich durch das Adsorptionspotential (im Bezug auf das Anhaften der Partikel an die Organismenoberfläche) und das Umweltverhalten (Freisetzung von radikalen Sauerstoffspezies oder Metallionen) der Nanopartikel bestimmt wird.
Darüber hinaus wurde die Nanopartikeltoxizität von jenen inhärenten Stoffeigenschaften, Nanopartikelcharakteritika und Umweltbedingungen am meisten beeinflusst, welche die zuvor genannten Aspekte entweder verstärken oder abschwächen. Hierfür beispielhaft ist der toxizitätsverstärkende Effekt von UV-Licht auf nTiO2 in Experimenten mit Gammarus: Während eine Exposition der Organismen in absoluter Dunkelheit selbst bei 5,00 mg nTiO2/L keine Effekt hervorrief, kam es in der Anwesenheit von UV-Licht schon bei 0,20 mg nTiO2/L zu schwerwiegenden Effekten auf sublethaler und lethaler Ebene.
Unter Berücksichtigung der Ergebnisse dieser Dissertation sowie bisherige Erkenntnisse der Wissenschaft im Allgemeinen, ist die derzeitige Risikoeinschätzung von Nanopartikeln möglicherweise unprotektiv, sofern eine Interaktion von Nanopartikeln und Umwelteinflüssen unberücksichtigt bleibt
The European weatherfish (Misgurnus fossilis) is a benthic freshwater fish species belonging to the family Cobitidae, that is subjected to a considerable decline in many regions across its original distribution range. Due to its cryptic behavior and low economic value, the causes of threat to weatherfish remained partly unknown and the species is rarely at the center of conservation efforts. In order to address these concerns, the overall aim of the present thesis was to provide a comprehensive approach for weatherfish conservation, including the development of stocking measures, investigations on the species autecology and the evaluation of potential threats. The first objective was to devise and implement a regional reintroduction and stock enhancement program with hatchery-reared weatherfish in Germany. Within this program (2014-2016), a total number of 168,500 juvenile weatherfish were stocked to seven water systems. Recaptures of 45 individuals at two reintroduction sites supported the conclusion that the developed stocking strategy was appropriate. In order to broaden the knowledge about weatherfish autecology and thereby refining the rearing conditions and the selection of appropriate stocking waters, the second objective was to investigate the thermal requirements of weatherfish larvae. Here, the obtained results revealed that temperatures higher than previously suggested were tolerated by larvae, whereas low temperatures within the range of likely habitat conditions increased mortality rates. As weatherfish can be frequently found in agriculturally impacted waters (e.g. ditch systems), they are assumed to have an increased probability to be exposed to chemical stress. Since the resulting risk has not yet been investigated with a focus on weatherfish, the third objective was to provide a methodical foundation for toxicity testing that additionally complies with the requirements of alternative test methods. For this purpose, the acute fish embryo toxicity test was successfully transferred to weatherfish and first results exhibited that sensitivity of weatherfish towards a tested reference substance (3,4-dichloroaniline) was highest compared to other species. On the basis of these findings, the fourth objective was to apply weatherfish embryos for multiple sediment bioassays in order to investigate teratogenic effects derived from sediment-associated contaminants. In this context, weatherfish revealed particular sensitivity to water extractable substances, indicating that sediment contamination might pose a considerable risk. Moreover, as an endangered benthic fish species with high ecological relevance for European waters that are specifically exposed to hazardous contaminants, the weatherfish might be a prospective species for an ecological risk assessment of sediment toxicity. Overall, the present thesis contributed to the conservation of weatherfish by considering a variety of aspects that interact and reinforce one another in order to achieve improvements for the species situation.
In einem Großteil der Welt wird Grundwasser für die Versorgung von Siedlungen und Agrarflächen genutzt. Organismen, die im Grundwasser leben, erfüllen wichtige Funktionen im Ökosystem und haben positiven Einfluss auf die Grundwasserqualität. Um das Risiko negativer Effekte auf diese wertvollen Ökosysteme zu minimieren muss die entsprechende Sanierungsmethode, im Falle einer Grundwasserbehandlung, mit Vorsicht gewählt werden. In der vorliegenden Thesis wurde das Umweltrisiko von Carbo-Iron untersucht, ein Komposit aus nanoskaligem null-valentem Eisen und Aktivkohle zur in situ-Behandlung von Grundwasser. Des Weiteren wurde eine umfassende Beurteilung des Umweltrisikos und des Nutzens einer Grundwasserbehandlung mit Carbo-Iron durchgeführt.
Zu Beginn der Arbeit an der vorliegenden Thesis existierten noch keine Empfehlungen für Untersuchung der Ökotoxizität von Nanomaterialien. Daher bestanden viele Unsicherheiten hinsichtlich geeigneter Methoden. Im Rahmen dieser Thesis wurde eine Entscheidungshilfe entwickelt, um bei der ökotoxikologischen Untersuchung von Nanomaterialien systematisch geeignete methodische Schritte auszuwählen.
Mögliche Effekte von Carbo-Iron wurden in Tests mit embryonalen, juvenilen und adulten Lebensstadien des Zebrabärblings (Danio rerio) und juvenilen und adulten Amphipoden (Hyalella azteca) untersucht. Die gewählten Testsysteme basierten auf existierenden Testmethoden der OECD und EPA zur ökotoxikologischen Untersuchung von Chemikalien (OECD, 1992a, 2013a, 2013b; US EPA, 2000). Zusätzlich wurde die Aufnahme der Partikel in die genannten Testorganismen untersucht. In Zebrabärblingsembryonen wurden außerdem potentielle Effekte auf die Genexpression mittels Microarrays ermittelt. Die erhaltenen Daten wurden später mit Ergebnissen aus Tests mit dem Wasserfloh Daphnia magna, der Alge Scenedesmus vacuolatus, Larven der Mücke Chironomus riparius und nitrifizierenden Bodenmikroorganismen ergänzt.
In dem Fischembryotoxizitätstest wurde keine Passage der Carbo-Iron-Partikel durch das Chorion in den perivitellinen Raum oder den Embryo beobachtet. Nach der Exposition wurde Carbo-Iron im Darm von H. azteca und D. rerio, aber keinem anderen Gewebe oder Organen detektiert. Carbo-Iron hatte keine signifikanten Effekte auf die Nitrifikationsrate der Bodenmikroorganismen sowie Überleben und Wachstum des Zebrabärblings. Dennoch wurden signifikant negative Effekte auf Wachstum, Fütterungsrate und Reproduktion von H. azteca und auf das Überleben und die Reproduktion von D. magna festgestellt. Des Weiteren war die Entwicklungsrate von C. riparius und das Zellvolumen von S. vacuolatus negativ beeinflusst.
Anhand der durchgeführten Studien wurde basierend auf dem Ergebnis des Reproduktionstests mit D. magna und einem assessment factor von 10 für Carbo-Iron eine predicted no effect concentration von 0,1 mg/L ermittelt. Diese wurde mit modellierten und gemessenen Umweltkonzentrationen von Carbo-Iron verglichen die in einer Studie erhoben wurden, in denen Carbo-Iron zur Behandlung eines mit Chlorkohlenwasserstoffen kontaminierten Aquifers eingesetzt wurde, und Risiko-Quotienten wurden abgeleitet. Zur gesamtheitlichen Betrachtung wurde anschließend ein Schema zur Bewertung des Umweltrisikos vor und nach der Behandlung des Aquifers mit Carbo-Iron entwickelt. Die erhobenen Daten weisen auf ein reduziertes Umweltrisiko nach der Applikation von Carbo-Iron hin. Dementsprechend überwiegen die Vorteile einer Grundwasserbehandlung mit Carbo-Iron die potentiellen negativen Effekte auf die Umwelt.
Studies have shown that runoff and spray-drift are important sources of nonpoint-source pesticide pollution of surface waters. Owing to this, public concern over the presence of pesticides in surface and ground water has resulted in intensive scientific efforts to find economical, yet environmentally sound solutions to the problem. The primary objective of this research was to assess the effectiveness of vegetated aquatic systems in providing buffering between natural aquatic ecosystems and agricultural landscape following insecticide associated runoff and spray-drift events. The first set of studies were implemented using vegetated agricultural ditches, one in Mississippi, USA, using pyrethroids (bifenthrin, lambda-cyhalothrin) under simulated runoff conditions and the other in the Western Cape, South Africa using the organophosphate insecticide, azinphos-methyl (AZP), under natural runoff and spray-drift conditions. The second set of studies were implemented using constructed wetlands, one in the Western Cape using AZP under natural spray-drift conditions and the other in Mississippi, USA using the organophosphate MeP under simulated runoff conditions. Results from the Mississippi-ditch study indicated that ditch lengths of less than 300 m would be sufficient to mitigate bifenthrin and lambda-cyhalothrin. In addition, data from mass balance calculations determined that the ditch plants were the major sink (generally > 90%) and/or sorption site for the rapid dissipation of the above pyrethroids from the water column. Similarly, results from the ditch study in South Africa showed that a 180 m vegetated system was effective in mitigating AZP after natural spray drift and low flow runoff events. Analytical results from the first wetland study show that the vegetated wetland was more effective than the non-vegetated wetland in reducing loadings of MeP. Mass balance calculations indicated approximately 90% of MeP mass was associated with the plant compartment. Ninety-six hours after the contamination, a significant negative acute effect of contamination on abundances was found in 8 out of the 15 macroinvertebrate species in both wetland systems. Even with these toxic effects, the overall reaction of macroinvertebrates clearly demonstrated that the impact of MeP in the vegetated wetland was considerably lower than in the non-vegetated wetland. Results from the constructed wetland study in South Africa revealed that concentrations of AZP at the inlet of the 134 m wetland system were reduced by 90% at the outlet. Overall, results from all of the studies in this thesis indicate that the presence of the plant compartment was essential for the effective mitigation of insecticide contamination introduced after both simulated and natural runoff or spray-drift events. Finally, both the vegetated agricultural drainage ditch and vegetated constructed wetland systems studied would be effective in mitigating pesticide loadings introduced from either runoff or spray-drift, in turn lowering or eliminating potential pesticide associated toxic effects in receiving aquatic ecosystems. Data produced in this research provide important information to reduce insecticide risk in exposure assessment scenarios. It should be noted that incorporating these types of best management practices (BMPs) will decrease the risk of acute toxicity, but chronic exposure may still be an apparent overall risk.
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.
Etwa 50 % der Fläche Europas werden landwirtschaftlich genutzt. Dennoch gibt es nahezu keine Information ob Fledermäuse diese Flächen beispielsweise zur Nahrungsaufnahme nutzen. Aufgrund der limitierten Datenbasis mangelt es auch an Schutzkonzepten, die mögliche negative Effekte der landwirtschaftlichen Intensivierung auf die Fledermäuse und deren Nahrungsgrundlage ausgleichen könnten. Da die Exposition von Fledermäusen mit Pflanzenschutzmitteln bislang nicht thematisiert wurde, sind im europäischen Zulassungsverfahren für Pflanzenschutzmittel keine Risikoabschätzungen für Fledermäuse gefordert. Um für Fledermäuse die mögliche Exposition gegenüber Pflanzenschutzmitteln abschätzen zu können, sind Informationen über Vorkommen und Aktivität von Fledermäusen in landwirtschaftlich genutzten Flächen erforderlich. Die Erfassung von Fledermäusen auf einer Vielzahl von Flächen machte es notwendig sich im Vorfeld auf eine geeignete Methodik festzulegen. Die akustische Fledermauserfassung ist im Gegensatz zu deutlich zeitaufwändigeren Methoden wie Netzfang, Telemetrie oder direktes Beobachten die einzige logistisch durchführbare Methode. In der wissenschaftlichen Literatur werden jedoch bei vielen bisher durchgeführten akustischen Methoden Bedenken bezüglich der Berücksichtigung zeitlicher und räumlicher Varianz und der Eignung der verwendeten Detektorsysteme geäußert. Deshalb wurden verschiedene Methoden und Detektorsysteme verglichen und das parallele Beproben mit mehreren stationären und kalibrierten automatischen Aufnahmesystemen als die am besten geeignete Methode zur verlässlichen und vergleichbaren Fledermausaktivitäts-Erfassung befunden.
Mit dieser Methode wurden die Fledermaus-Diversitäten und Aktivitäten in verschiedenen landwirtschaftlichen Kulturen, Wiesen und Wäldern aufgenommen. Außerdem wurde gleichzeitig die Verfügbarkeit von fliegenden Insekten (potentieller Fledermausbeute) mit Licht- oder Klebefallen erfasst. In mehr als 500 Erfassungsnächten wurden circa 110,000 akustische Fledermaus-Rufsequenzen und nahezu 120,000 nachtaktive Insekten gesammelt. Insgesamt wurden 14 Fledermausarten nachgewiesen, darunter die im Gebiet sehr seltene und stark bedrohte Nordfledermaus (Eptesicus nilssonii) und die Mopsfledermaus (Barbastella barbastellum). Alle Arten wurden auch auf landwirtschaftlich genutzten Flächen detektiert.
Die Landwirtschaft im südlichen Rheinland-Pfalz ist durch Weinanbau geprägt. Die Untersuchungen zeigten, dass Weinberge aufgrund der geringen Verfügbarkeit an kleineren nachtaktiven Insekten für die meisten Fledermausarten nur eine geringe Qualität als Jagdgebiet haben. Ein weiterer paarweiser Vergleich von Weinbergen und benachbarten Regenrückhaltebecken bezüglich Nahrungsverfügbarkeit und Fledermausaktivität zeigte, dass Regenrückhaltebecken wichtige Nahrungshabitate im Weinbaugebiet darstellen. Das Anlegen dieser künstlichen Kleingewässer ist somit eine geeignete Methode um Nahrungshabitate für Fledermäuse zu schaffen und damit den negativen Effekten der konventionellen Landwirtschaft hinsichtlich der Nahrungsverfügbarkeit entgegenzuwirken. In anderen landwirtschaftlichen Kulturen wurden mit den parallel untersuchten Wald- und Wiesenhabitaten vergleichbar hohe Insektenvorkommen und Fledermausaktivitäten nachgewiesen. Besonders hohe Fledermausaktivitäten so wie eine besonders hohe Verfügbarkeit von geeigneten Nahrungstieren wurden in Apfelplantangen und Gemüsefeldern gemessen. Da diese beiden Kulturen hohem Pestizidaufwand unterliegen, kann eine Exposition von Fledermäusen gegenüber Pflanzenschutzmitteln dort nicht ausgeschlossen werden. Um das zurzeit verwendete Verfahren zur Risikoabschätzung von Pflanzenschutzmittel-anwendungen auf Vögel und Säuger auf Fledermäuse zu übertragen, wurden nach Applikation eines Insektizides dessen Rückstände auf Fledermaus-artspezifischen Beuteinsekten gemessen. Parallel dazu wurde die Fledermausaktivität erfasst. Die höchsten Pestizidrückstände wurden auf kronenbewohnenden Insekten und Spinnen nachgewiesen. Die darauf basierende Risikoabschätzung deutet auf ein Langzeitrisiko für alle Fledermausarten, die sich wenigstens zum Teil von kronenbewohnenden Arthropoden ernähren, hin. Das Vorkommen von Fledermäusen in landwirtschaftlichen Flächen, die einen Großteil der europäischen, aber auch der weltweiten Fläche ausmachen, führt je nach Kultur zur Exposition von Fledermäusen durch kontaminierte Nahrung oder zu einer Verringerung von Beuteinsekten. Bisher konzentrierten sich Schutzbemühungen auf die Sicherung von Winterquartieren und die Bereitstellung künstlicher Tagesquartiere. Potentielle Effekte von Pflanzenschutzmitteln auf Agrarflächen haben aber möglicherweise einen entscheidenden Einfluss auf die Populationsgrößen von Fledermausarten die in diesen Gebieten vorkommen. Aus diesem Grund sollten die Effekte von Pflanzenschutzmitteln auf Fledermäuse untersucht werden, insbesondere bei der Risikoabschätzung im Pflanzenschutzmittel-Zulassungsverfahren.
Invasive species often have a significant impact on the biodiversity of ecosystems and the species native to it. One of the worst invaders worldwide is Aphanomyces astaci, the causative agent of the crayfish plague, an often fatal disease to crayfish species not native to North America. Aphanomyces astaci originates from North America and was introduced to Europe in the midst of the 19th century. Since then, it spread throughout Europe diminishing the European crayfish populations. The overall aim of this thesis was to evaluate the threat that A. astaci still poses to European crayfish species more than 150 years after its introduction to Europe. In the first part of the thesis, crayfish specimens, which are available in the German pet trade, were tested for infections with A. astaci. Around 13% of the tested crayfish were clearly infected with A. astaci. The study demonstrated the potential danger the pet trade poses for biodiversity through the import of alien species and their potential pathogens, in general. In the second part of the thesis, the A. astaci infection prevalence of crayfish species in wild populations in Europe was tested. While the stone crayfish, Austropotamobius torrentium, showed high susceptibility to different haplogroups of A. astaci, the narrow-clawed crayfish, Astacus leptodactylus, was able to survive infections, even by haplogroup B, which is considered to be highly virulent. In the last part of the thesis, A. astaci was traced back to its original distribution area of North America. While the crayfish plague never had such a devastating effect on crayfish in North America as it had in Europe, the reasons for the success of invasive crayfish within North America are not yet fully understood. It is possible that A. astaci increases the invasion success of some crayfish species. Several populations of the rusty crayfish, Orconectes rusticus, in the Midwest of North America were confirmed to be infected with A. astaci and a new genotype was identified, possibly indicating that each crayfish host is vector of a unique A. astaci genotype, even in North America. Overall, the present thesis provides evidence that A. astaci is still a major threat to the crayfish species indigenous to Europe. Crayfish mass mortalities still occur in susceptible crayfish species like A. torrentium even 150 years after the first introduction of A. astaci. While there are some indications for increased resistances through processes of co-evolution, the continuous introduction of crayfish species to Europe threatens to cause new outbreaks of the crayfish plague through the parallel introduction of new, highly virulent A. astaci strains.
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.