In den letzten Jahrzehnten wurde deutlich, dass die Welt mit einer beispiellosen, vom Menschen verursachten Biodiversitätskrise konfrontiert ist. Eine der am stärksten bedrohten Artengruppen stellen dabei die Amphibien dar, so gelten laut IUCN 41% der Amphibienarten als gefährdet. Jedoch können selbst bei Arten die als "least concern" klassifiziert sind Populationsrückgänge auf lokaler Ebene beobachtet werden. Mit einer veränderten Landnutzung und dem Einsatz von Pestiziden sind zwei der Hauptursachen für diese Gefährdung direkt mit intensiver Landwirtschaft verbunden. Daher ist das Wissen um die Situation von Amphibien in der Agrarlandschaft von entscheidender Bedeutung für Schutzmaßnahmen. In der vorliegenden Arbeit wurden Amphibienpopulationen in der durch Weinbau geprägten Gegend um Landau in der Pfalz (Deutschland) im Hinblick auf Lebensraumnutzung, Pestizidexposition, biometrische Merkmale sowie der Alters- und genetischer Populationsstruktur untersucht. Da Agrarflächen oft zur Fragmentierung von Landschaften führen, ging ich der Frage nach ob dies auch auf Weinberge zutrifft und ob eingesetzte Pestizide zur Fragmentierung beitragen, ob also eine chemische Landschaftsfragmentierung vorliegt. Durch die Telemetrierung von Erdkröten (Bufo bufo) konnte ich zeigen, dass diese Art direkt in Weinbergen gefunden werden kann, diese aber generell eher meidet. Die Analyse der genetischen Struktur von Grasfröschen (Rana temporaria) ergab, dass Weinberge als Barriere für Amphibien anzusehen sind. Um herauszufinden, ob Pestizide zu der daraus resultierenden Landschaftsfragmentierung beitragen, führte ich einen Wahlversuch im Labor durch, bei dem ich ein Vermeidungsverhalten gegenüber kontaminierten Böden fand, was zu einer chemischen Landschaftsfragmentierung führen könnte. Durch die Kombination von Telemetriedaten mit Daten über Pestizidanwendungen von lokalen Winzern konnte ich zeigen, dass ein großer Teil der Erdkröten mit Pestiziden in Kontakt kommt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sich die Agrarlandschaft und hier wahrscheinlich Pestizide negativ auf die Fortpflanzungsfähigkeit von Erdkröten auswirkt. Bei der Untersuchung von Fadenmolchen (Lissotriton helveticus) stellte ich fest, dass adulte Molche aus Gewässern in der Agrarlandschaft kleiner sind als Individuen aus Gewässern im Wald. Da kein Unterschied in der Altersstruktur festgestellt werden konnte, könnten diese Größenunterschiede auf suboptimale Bedingungen für Larven und/oder Jungtiere hindeuten, wenngleich Gewässer in der Agrarlandschaft geeignete Lebensräume für adulte Teichmolche sein könnten. Ich komme zu dem Schluss, dass die beste Maßnahme zum Schutz von Amphibien in der Agrarlandschaft eine heterogene Kulturlandschaft mit einem Mosaik aus verschiedenen Lebensräumen wäre, die ohne oder zumindest mit weniger Pestiziden auskommt. Grüne Korridore zwischen Populationen und Teillebensräumen würden es wandernden Individuen ermöglichen, landwirtschaftliche und damit pestizidbelastete Flächen zu vermeiden. Dies würde das Risiko der Pestizidexposition von Amphibien verringern und gleichzeitig die Fragmentierung der Landschaft und damit die Isolation von Populationen verhindern.

In der Biologie stellt das Zeichnen eine zentrale Arbeitstechnik dar. Viele Studien konnten auf einen positiven Effekt des Zeichnens für bestimmte Situationen hinweisen. Schülerinnen und Schüler müssen diese Technik jedoch zunächst erlernen. Hierbei können zahlreiche Schwierigkeiten auftreten, die die inhaltliche Auseinandersetzung gefährden. Jedoch wurden sowohl Schwierigkeiten im Umgang mit unterschiedlichen Repräsentationsformen als auch der Zeichenprozess bislang nur lückenhaft untersucht. Die Studie dieser Arbeit hat daher zum Ziel, (I) den Zeichenprozess auf der Ebene der Sichtstruktur zu beschreiben, (II) die manifesten Schwierigkeiten von Lernenden zu erfassen, auf die sie während der Konstruktion biologisch bedeutsamer Repräsentationsformen (Ablaufdiagramme, mikroskopische Zeichnungen) treffen, (III) und auf Grundlage der empirischen Befunde Schülertypen abzuleiten. Vor diesem Hintergrund waren 21 Schülerinnen und Schüler angehalten, jeweils ein Ablaufdiagramm auf Grundlage eines Texts und eine mikroskopische Zeichnung auf Grundlage eines Präparats zu konstruieren und dabei laut zu denken. Fragen zur Vorerfahrung sowie retrospektiv gestellte Fragen zum Vorgehen der Teilnehmenden umrahmten den videografisch dokumentierten Prozess. Die Ergebnisse zeigen, dass der Zeichenprozess mehr als zehn unterschiedliche Tätigkeiten umfassen kann, wobei die Kerntätigkeit des Zeichnens durchschnittlich nur rund ein Drittel des Prozesses ausmacht. Die Prozessstruktur zwischen Fällen variiert erheblich. Weiterhin konnten etwa 30 Schwierigkeiten bzw. Fehler identifiziert werden, die während der Konstruktion beider Repräsentationsformen auftreten. Diese können dabei sowohl einzelne als auch mehrere Tätigkeiten betreffen und zu Tätigkeitsabbrüchen führen. Schwierigkeiten stehen häufig in Verbindung mit Tätigkeiten, die außerhalb der Kerntätigkeit des Zeichnens liegen (z. B. Abgleich mit der Textgrundlage). Bezogen auf Ablaufdiagramme stellt das Verhältnis depiktional bzw. deskriptional dargestellter Textinformationen den Ausgangspunkt der Typisierung dar: Typ I: realistisch abbildend, II: alternierend abbildend und III: schriftorientiert abbildend. Für mikroskopische Zeichnungen war die Häufigkeit des Abgleichs mit dem Objekt grundlegend für die Typisierung: Typ I: oberflächlich abbildend, II: objektorientiert abbildend und III: undifferenziert detailliert abbildend. Die Studie liefert erstmals Kategoriensysteme, die es erlauben, die Prozessstruktur des Zeichnens sichtbar und zwischen Fällen vergleichbar zu machen sowie schwierigkeitsbezogenes Grundlagenwissen zur Konstruktion von Zeichnungen, basierend auf Texten und Beobachtungen. Die Übertragbarkeit der Befunde auf andere Repräsentationsformen ist an vielen Stellen denkbar. Die theoretisch fundierte Systematisierung von Schwierigkeiten kann von weiterführenden Untersuchungsansätze aufgegriffen werden und erlaubt die Verortung situationsangemessener Unterstützungsmaßnahmen.

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.

Eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft ist notwendig, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren ohne die Bodenqualität durch verstärkte Bodendegradation zu verschlechtern. Plastikmul-che (PM) werden weltweit zunehmend eingesetzt, um Wachstum und Ertrag von Feldfrüchten zu ver-bessern und somit die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern. Zunehmend finden sich aber auch kritische Aspekte der PM-Anwendung auf die Bodenqualität sowie widersprüchliche Ergebnisse in der wissenschaftlichen Literatur. Grund könnte die Anwendung in verschiedenen Klimaten und bei unter-schiedlichen Feldkulturen, Böden und landwirtschaftlichen Techniken sein. Ein genauerer Blick ist so-mit notwendig, um den PM-Einfluss auf die Bodenprozesse unter verschiedenen Klima- und Anbaube-dingungen umfassend zu verstehen und hinsichtlich einer nachhaltigen Landwirtschaft zu bewerten. Ziel dieser Doktorarbeit war es, zu verstehen, inwieweit eine mehrjährige PM-Anwendung verschiedene Bodeneigenschaften und -prozesse unter gemäßigt, humidem Klima in Mitteleuropa beeinflusst und die Folgen für die Bodenqualität zu bewerten. Hierfür untersuchte ich in einer dreijährigen Feldstudie, wie PM (schwarzes Polyethylen, 50 μm) das Mikroklima, die Strukturstabilität, die organische Bodensub-stanz (OBS) und die Konzentrationen bestimmter Fungizide und Mykotoxine in drei Bodenschichten (0–10, 10–30 and 30–60 cm) im Vergleich zu Strohmulch (SM) beeinflusst. Beide Bodenabdeckungen wurden in einer Dammkultur mit Tröpfchenberegnung im Erdbeeranbau eingesetzt. Die PM veränderten das Mikroklima des Bodens hin zu höheren Temperaturen und niedrigeren Was-sergehalten. Hauptfaktor für das gesteigerte Pflanzenwachstum unter gegebenem Klima dürfte somit die höhere Bodentemperatur sein. Die niedrigere Bodenfeuchte unter PM zeigte, dass die verhinderte Nie-derschlagsversickerung stärker den Wasserhaushalt beeinflusste als die reduzierte Evaporation, was auf eine ineffiziente Niederschlagsnutzung hinweist. Die PM veränderten den Wasserkreislauf hin zu ver-mehrt seitlichen Wasserflüssen von der Furche zum Damm und weniger vertikalen Sickerwasserflüssen im Damm. Letzteres verringerte die Stickstoffauswaschung im Oberboden (0–10 cm) in der Anwachs-phase der Erdbeeren. PM verhinderte eine abrupte Bodendurchnässung und Überschusswasser bei Re-genfällen und somit Aggregatzerstörung. So wurde eine lockere und stabile Bodenstruktur erhalten, die Bodenverdichtung und Bodenerosion vorbeugt. PM veränderte Kohlenstoffaustausch und -umwandlung hin zu einer größeren und stabileren OBS. Somit kompensierte die unterirdische Biomassenproduktion unter PM den temperaturbedingt beschleunigten OBS Abbau sowie den fehlenden Eintrag oberirdischer Biomasse. Das SM erhöhte jedoch die labile und totale OBS im Oberboden nach dem ersten Versuchs-jahr und steigerte das mikrobielle Wachstum durch den oberirdischen Biomasseeintrag. PM verringerte den Fungizideintrag in den Boden und verursachte kein erhöhtes Mykotoxinvorkommen. Somit stellt PM kein erhöhtes Risiko für Bodenkontaminationen und die Bodenqualität dar. Diese Doktorarbeit zeigte, dass sich die PM-Effekte zeitlich, saisonal und zwischen den Bodenschichten unterschieden, womit die Bedeutung der Faktoren Bodentiefen und Zeit für zukünftige Studien belegt wurde. Verglichen mit ariden Gebieten, waren die beobachteten PM-Einflüsse klein, ausgeblieben oder anders. Als Grund hierfür vermute ich, dass PM in humidem Klima die Bodenfeuchte verringerte anstatt zu erhöhen und dass unter SM das Stroh und Blätterwerk einen PM-ähnlichen „Abdeckungseffekt“ verur-sachte. Eine Generalisierung der PM-Effekte über verschiedenen Klimazonen ist somit kaum möglich, da sich die Effekte in Art und Ausmaß in Abhängigkeit vom Klima unterscheiden. Die PM-Effekte auf die Bodenqualität müssen somit differenziert beurteilt werden. Ich schlussfolgere, dass PM in humiden Klimaten Bodendegradationen vermindern könnte (z.B., OBS Abbau, Erosion, Nährstoffauswaschung, Verdichtung und Kontamination) und somit hilft, Bodenqualität zu erhalten und eine nachhaltige, land-wirtschaftliche Intensivierung zu ermöglichen. Allerdings ist weitere Forschung nötig um meine Ergeb-nisse auf größeren Skalen, über längere Zeitperioden und bei verschiedenen Böden und Feldfrüchte zu überprüfen, verbleibende offene Fragen zu beantworten und Verbesserungen zu entwickeln, um die Nachteile der PM zu überwinden (z.B. Bodenverunreinigung mit Plastik, Entsorgung der Mulche).

Die heutige Landwirtschaft ist in hohem Maße auf den Einsatz von Pestiziden angewiesen, um verschiedene Schädlinge zu bekämpfen und die Ernteerträge zu maximieren. Trotz detaillierter Vorschriften für den Einsatz von Pestiziden, die auf einem komplexen System der Risikobewertung beruhen, hat sich gezeigt, dass der weit verbreitete Einsatz dieser biologisch aktiven Substanzen eine Gefahr für die Umwelt darstellt. In Oberflächengewässern wurde beobachtet, dass die Pestizidbelastung die als noch umweltverträglich angesehenen Konzentrationen übersteigt und sich negativ auf die Ökologie der Fließgewässer auswirkt, was die Frage aufwirft, ob die derzeitige Risikobewertung einen nachhaltigen Einsatz von Pestiziden gewährleistet. Um diese Frage zu beantworten, hat das umfassende "Kleingewässer-Monitoring" (KgM) in den Jahren 2018 und 2019 das Vorkommen von Pestiziden und die damit verbundenen ökologischen Auswirkungen in 124 Fließgewässern in ganz Deutschland untersucht. Basierend auf fünf wissenschaftlichen Publikationen, die aus dem KgM hervorgegangen sind, werden in dieser Arbeit die Pestizidbelastung in Fließgewässern, die ökologischen Auswirkungen und die regulatorischen Implikationen bewertet. Mehr als 1000 Wasserproben wurden auf über 100 Pestizid-Analyten untersucht, um das Vorkommen zu charakterisieren (Publikation 1). Die gemessenen Konzentrationen und Auswirkungen wurden zur Validierung der in der Risikobewertung vorhergesagten Umweltkonzentrationen und Wirkungschwellen verwendet (Veröffentlichung 2). Durch die gemeinsame Analyse von realen Pestizidanwendungsdaten und gemessenen Pestizidmischungen in Fließgewässern wurde die Missachtung von Pestizidmischungen in der Umwelt in der Risikobewertung beurteilt (Veröffentlichung 3). Das Risikopotenzial von Mischungen in Fließgewässern wurde zusätzlich mit Hilfe eines Verdachtsscreenings für 395 Chemikalien und einer Batterie von In-vitro-Bioassays untersucht (Publikation 4). Schließlich wurden die Ergebnisse des KgM verwendet, um die Eignung staatlicher Monitoringprogramme zur Identifizierung von Pestizidrisiken in Oberflächengewässern zu bewerten (Publikation 5). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das weit verbreitete Vorkommen von Pestiziden in den Nichtzielökosystemen der Fließgewässer. Die Wasserproben wiesen eine Vielzahl von Pestiziden auf, die in komplexen Mischungen vor allem in kurzzeitigen Spitzenwerten nach Niederschlagsereignissen auftraten (Veröffentlichungen 1 & 4). Die jeweiligen Höchstwerte der Pestizidkonzentration wurden mit dem Rückgang empfindlicher Wirbellosenarten in Verbindung gebracht und überstiegen in etwa 80 % der landwirtschaftlich geprägten Fließgewässer die gesetzlich zulässigen Konzentrationen, welche als Schwellenwerte zum Teil noch als unzureichend für den Schutz der Wirbellosengemeinschaft angesehen wurden (Publikation 2). Das gleichzeitige Vorkommen von Pestiziden in Fließgewässern führte zu einem Risiko, das in der auf eine einzelne Substanzen ausgerichteten Risikobewertung in realistischen Worst-Case-Szenarien um einen Faktor von etwa 3,2 unterschätzt wurde. Dies wird durch die hohe Häufigkeit, mit der Nichtzielorganismen den Pestiziden ausgesetzt sind, weiter verstärkt (Veröffentlichung 3). Wasserproben, die nach Regenfällen entnommen wurden, verursachten in den Bioassays deutliche Effekte, die nur zu einem geringen Teil durch die vielen detektierten Analyten erklärbar waren, was auf die Relevanz unbekannter chemischer oder biologischer Mischungskomponenten hinweist (Publikation 4). Schließlich wurde festgestellt, dass die behördliche Überwachung von Oberflächengewässern gemäß der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) die Risiken von Pestiziden erheblich unterschätzt, da hier etwa drei Viertel der kritischen Pestizide und mehr als die Hälfte der gefährdeten Gewässer übersehen worden wären (Veröffentlichung 5). Im Wesentlichen liefert diese Arbeit eine neue Ebene der Validierung der Risikobewertung von Pestiziden in aquatischen Ökosystemen, indem das Auftreten von Pestiziden und ihre Auswirkungen auf die Umwelt in einem bisher einzigartigen Maßstab bewertet werden. Die Ergebnisse zeigen generell, dass der derzeitige landwirtschaftliche Einsatz von Pestiziden zu erheblichen Auswirkungen auf die Fließgewässerökologie führt, die über das von der Risikobewertung tolerierte Maß hinausgehen. In dieser Arbeit wurden die Unterschätzung der Pestizidexposition, die potenzielle Unzulänglichkeit der gesetzlichen Schwellenwerte und die allgemeine Trägheit des Zulassungsverfahrens als Hauptursachen dafür ermittelt, dass entsprechende gesetzlich verankerte, ökologische Zielsetzungen momentan erwiesenermaßen nicht erreicht werden. Um einen nachhaltigen Einsatz von Pestiziden zu gewährleisten, schlägt die Arbeit wesentliche Änderungen der Risikobewertung vor. Monitoringprogramme wie das KgM, die über die derzeitigen staatlichen Überwachungsbemühungen hinausgehen, werden weiterhin erforderlich sein, um die Regulierungsbehörden für Pestizide ständig über die Gültigkeit ihrer prospektiven Risikobewertung zu informieren, die immer mit Unsicherheiten behaftet sein wird.