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For a comprehensive understanding of evolutionary processes and for providing reliable prognoses about the future consequences of environmental change, it is essential to reveal the genetic basis underlying adaptive responses. The importance of this goal increases in light of ongoing climate change, which confronts organisms worldwide with new selection pressures and requires rapid evolutionary change to avoid local extinction. Thereby, freshwater ectotherms like daphnids are particularly threatened. Unraveling the genetic basis of local adaptation is complicated by the interplay of forces affecting patterns of genetic divergence among populations. Due to their key position in freshwater communities, cyclic parthenogenetic mode of reproduction and resting propagules (which form biological archives), daphnids are particularly suited for this purpose.
The aim of this thesis was to assess the impact of local thermal selection on the Daphnia longispina complex and to reveal the underlying genetic loci. Therefore, I compared genetic differentiation among populations containing Daphnia galeata, Daphnia longispina and their interspecific hybrids across time, space, and species boundaries. I revealed strongly contrasting patterns of genetic differentiation between selectively neutral and functional candidate gene markers, between the two species, and among samples from different lakes, suggesting (together with a correlation with habitat temperatures) local thermal selection acting on candidate gene TRY5F and indicating adaptive introgression. To reveal the candidate genes’ impact on fitness, I performed association analyses among data on genotypes and phenotypic traits of D. galeata clones from seven populations. The tests revealed a general temperature effect as well as inter-population differences in phenotypic traits and imply a possible contribution of the candidate genes to life-history traits. Finally, utilizing a combined population transcriptomic and reverse ecology approach, I introduced a methodology with a wide range of applications in evolutionary biology and revealed that local thermal selection was probably a minor force in shaping sequence and gene expression divergence among four D. galeata populations, but contributed to sequence divergence among two populations. I identified many transcripts possibly under selection or contributing strongly to population divergence, a large amount thereof putatively under local thermal selection, and showed that genetic and gene expression variation is not depleted specifically in temperature-related candidate genes.
In conclusion, I detected signs of local adaptation in the D. longispina complex across space, time, and species barriers. Populations and species remained genetically divergent, although increased gene flow possibly contributed, together with genotypes recruited from the resting egg bank, to the maintenance of standing genetic variation. Further work is required to accurately determine the influence of introgression and the effects of candidate genes on individual fitness. While I found no evidence suggesting a response to intense local thermal selection, the high resilience and adaptive potential regarding environmental change I observed suggest positive future prospects for the populations of the D. longispina complex. However, overall, due to the continuing environmental degradation, daphnids and other aquatic invertebrates remain vulnerable and threatened.
Natürliche Schädlingskontrolle und Bestäubung sind wichtige Ökosystemdienstleistungen für die Landwirtschaft. Diese können durch ökologische Landwirtschaft und naturnahe Lebensräume in der näheren oder weiteren Umgebung gefördert werden.
Das Potential naturnaher Lebensräume räuberische Fliegen(Kapitel 2 und 3)und Bienen (Kapitel 7) auf lokaler und Landschaftsebene zu fördern wurde in naturnahen Lebensräumen untersucht. Räuberische Fliegen bevorzugten verholzte Habitate und reagierten positiv auf die andschaftskomplexizität. Die Vielfalt von Bienen und die Häufigkeit von Honig- und Wildbienen in den naturnahen Lebensräumen wurde vor allem positiv von den vorhandenen Blütenressourcen beeinflusst.
Der Einfluss von ökologischer Landwirtschaft, angrenzenden naturnahen Lebensräumen und Landschaftskomplexizität auf natürliche Schädlingskontrolle (Kapitel 4) und Bestäubung (Kapitel 6) wurde in 18 Kürbisfeldern untersucht. Ökologische Landwirtschaft hatte keine starken Effekte auf die natürliche Schädlingskontrolle oder die Bestäubung von Kürbis. Die natürliche Schädlingskontrolle kann vor allem lokal durch das Blütenangebot in den angrenzenden Lebensräumen gefördert werden, weil dieses die Dichten der natürlichen Läusefeinde positiv beeinflusste und tendenziell die Läusedichte in den Kürbisfeldern reduzierte.
Kürbis ist ein beeindruckendes Beispiel für eine Schlüsselrolle von Wildbienen für den Bestäubungserfolg, weil Kürbis in Deutschland vor allem von Hummeln bestäubt wird trotz der höheren Besuchsdichten von Honigbienen. Die Bestäubung kann am besten durch Landschaftskomplexizität gefördert werden. Die Anzahl von Blütenbesuchen von Hummeln und infolgedessen auch die übertragene Pollenmenge wurden negativ von der landwirtschaftlich genutzten Fläche in der umgebenden Landschaft beeinflusst.
Der Einfluss von Läusedichten (Kapitel 8) und Bestäubung (Kapitel 5) auf den Kürbisertrag wurde ermittelt. Der Kürbisertrag wurde nicht beeinflusst von den beobachteten Läusedichten und war nicht bestäubungslimitiert bei der derzeitigen Menge an Bienenbesuchen.
Insbesondere naturnahe Lebensräume, die stetige und vielfältige Blütenressourcen bereitstellen, sind wichtig für Schädlingskontrolleure und Bestäuber. In Agrarlandschaften sollte ein ausreichender Anteil an verschiedenen Typen von naturnahen Lebensräumen erhalten und wiederhergestellt werden. Dadurch können natürliche Schädlingskontrolleure wie räuberische Fliegen, Bestäuber wie Hummeln,und die von ihnen geleistete Schädlingskontrolle und Bestäubung in Agrarlandschaften gefördert werden.
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.
World’s ecosystems are under great pressure satisfying anthropogenic demands, with freshwaters being of central importance. The Millennium Ecosystem Assessment has identified anthropogenic land use and associated stressors as main drivers in jeopardizing stream ecosystem functions and the
biodiversity supported by freshwaters. Adverse effects on the biodiversity of freshwater organisms, such as macroinvertebrates, may propagate to fundamental ecosystem functions, such as organic matter breakdown (OMB) with potentially severe consequences for ecosystem services. In order to adequately protect and preserve freshwater ecosystems, investigations regarding potential and observed as well as direct and indirect effects of anthropogenic land use and associated stressors (e.g. nutrients, pesticides or heavy metals) on ecosystem functioning and stream biodiversity are needed. While greater species diversity most likely benefits ecosystem functions, the direction and magnitude of changes in ecosystem functioning depends primarily on species functional traits. In this context, the functional diversity of stream organisms has been suggested to be a more suitable predictor of changes in ecosystem functions than taxonomic diversity.
The thesis aims at investigating effects of anthropogenic land use on (i) three ecosystem functions by anthropogenic toxicants to identify effect thresholds (chapter 2), (ii) the organic matter breakdown by three land use categories to identify effects on the functional level (chapter 3) and (iii)on the stream community along an established land-use gradient to identify effects on the community level.
In chapter 2, I reviewed the literature regarding pesticide and heavy metal effects on OMB, primary production and community respiration. From each reviewed study that met inclusion criteria, the toxicant concentration resulting in a reduction of at least 20% in an ecosystem function was standardized based on laboratory toxicity data. Effect thresholds were based on the relationship between ecosystem functions and standardized concentration-effect relationships. The analysis revealed that more than one third of pesticide observations indicated reductions in ecosystem functions at concentrations that are assumed being protective in regulation. However, high variation within and between studies hampered the derivation of a concentration-effect relationship and thus effect thresholds.
In chapter 3, I conducted a field study to determine the microbial and invertebrate-mediated OMB by deploying fine and coarse mesh leaf bags in streams with forested, agricultural, vinicultural
and urban riparian land use. Additionally, physicochemical, geographical and habitat parameters were monitored to explain potential differences in OMB among land use types and sites. Regarding results, only microbial OMB differed between land use types. The microbial OMB showed a negative relationship with pH while the invertebrate-mediated OMB was positively related to tree cover. OMB responded to stressor gradients rather than directly to land use.
In chapter 4, macroinvertebrates were sampled in concert with leaf bag deployment and after species identification (i) the taxonomic diversity in terms of Simpson diversity and total taxonomic
richness (TTR) and (ii) the functional diversity in terms of bio-ecological traits and Rao’s quadratic entropy was determined for each community. Additionally, a land-use gradient was established and the response of the taxonomic and functional diversity of invertebrate communities along this gradient was investigated to examine whether these two metrics of biodiversity are predictive for the rate of OMB. Neither bio-ecological traits nor the functional diversity showed a significant relationship with
OMB. Although, TTR decreased with increasing anthropogenic stress and also the community structure and 26 % of bio-ecological traits were significantly related to the stress gradient, any of these shifts propagated to OMB.
Our results show that the complexity of real-world situations in freshwater ecosystems impedes the effect assessment of chemicals and land use for functional endpoints, and consequently our potential to predict changes. We conclude that current safety factors used in chemical risk assessment may not be sufficient for pesticides to protect functional endpoints. Furthermore, simplifying real-world stressor gradients into few land use categories was unsuitable to predict and quantify losses in OMB. Thus, the monitoring of specific stressors may be more relevant than crude land use categories to detect effects on ecosystem functions. This may, however, limit the large scale assessment of the status of OMB. Finally, despite several functional changes in the communities the functional diversity over several trait modalities remained similar. Neither taxonomic nor functional diversity were suitable predictors of OMB. Thus, when understanding anthropogenic impacts on the linkage between biodiversity and ecosystem functioning is of main interest, focusing on diversity metrics that are clearly linked to the stressor in question (Jackson et al. 2016) or integrating taxonomic and functional metrics (Mondy et al., 2012) might enhance our predictive capacity.
Agricultural land-use may lead to brief pulse exposures of pesticides in edge-of-field streams, potentially resulting in adverse effects on aquatic macrophytes, invertebrates and ecosystem functions. The higher tier risk assessment is mainly based on pond mesocosms which are not designed to mimic stream-typical conditions. Relatively little is known on exposure and effect assessment using stream mesocosms.
Thus the present thesis evaluates the appliacability of the stream mesocosms to mimic stream-typical pulse exposures, to assess resulting effects on flora and fauna and to evaluate aquatic-terrestrial food web coupling. The first objective was to mimic stream-typical pulse exposure scenarios with different durations (≤ 1 to ≥ 24 hours). These exposure scenarios established using a fluorescence tracer were the methodological basis for the effect assessment of an herbicide and an insecticide. In order to evaluate the applicability of stream mesocosms for regulatory purposes, the second objective was to assess effects on two aquatic macrophytes following a 24-h pulse exposure with the herbicide iofensulfuron-sodium (1, 3, 10 and 30 µg/L; n = 3). Growth inhibition of up to 66 and 45% was observed for the total shoot length of Myriophyllum spicatum and Elodea canadensis, respectively. Recovery of this endpoint could be demonstrated within 42 days for both macrophytes. The third objective was to assess effects on structural and functional endpoints following a 6-h pulse exposure of the pyrethroid ether etofenprox (0.05, 0.5 and 5 µg/L; n = 4). The most sensitive structural (abundance of Cloeon simile) and functional (feeding rates of Asellus aquaticus) endpoint revealed significant effects at 0.05 µg/L etofenprox. This concentration was below field-measured etofenprox concentrations and thus suggests that pulse exposures adversely affect invertebrate populations and ecosystem functions in streams. Such pollutions of streams may also result in decreased emergence of aquatic insects and potentially lead to an insect-mediated transfer of pollutants to adjacent food webs. Test systems capable to assess aquatic-terrestrial effects are not yet integrated in mesocosm approaches but might be of interest for substances with bioaccumulation potential. Here, the fourth part provides an aquatic-terrestrial model ecosystem capable to assess cross-ecosystem effects. Information on the riparian food web such as the contribution of aquatic (up to 71%) and terrestrial (up to 29%) insect prey to the diet of the riparian spider Tetragnatha extensa was assessed via stable isotope ratios (δ13C and δ15N). Thus, the present thesis provides the methodological basis to assess aquatic-terrestrial pollutant transfer and effects on the riparian food web.
Overall the results of this thesis indicate, that stream mesocosms can be used to mimic stream-typical pulse exposures of pesticides, to assess resulting effects on macrophytes and invertebrates within prospective environmental risk assessment (ERA) and to evaluate changes in riparian food webs.
Pelagic oxyclines, the transition zone between oxygen rich surface waters and oxygen depleted deep waters, are a common characteristic of eutrophic lakes during summer stratification. They can have tremendous effects on the biodiversity and the ecosystem functioning of lakes and, to add insult to injury, are expected to become more frequent and more pronounced as climate warming progresses. On these grounds, this thesis endeavors to advance the understanding of formation, persistence, and consequences of pelagic oxyclines: We test, whether the formation of metalimnetic oxygen minima is intrinsically tied to a locally enhanced oxygen consuming process, investigate the relative importance of vertical physical oxygen transport and biochemical oxygen consumption for the persistence of pelagic oxyclines, and finally assess their potential consequences for whole lake cycling. To pursue these objectives, the present thesis nearly exclusively resorts to in situ measurements. Field campaigns were conducted at three lakes in Germany featuring different types of oxyclines and resolved either a short (hours to days) or a long (weeks to months) time scale. Measurements comprised temperature, current velocity, and concentrations of oxygen and reduced substances in high temporal and vertical resolution. Additionally, vertical transport was estimated by applying the eddy correlation technique within the pelagic region for the first time. The thesis revealed, that the formation of metalimnetic oxygen minima does not necessarily depend on locally enhanced oxygen depletion, but can solely result from gradients and curvatures of oxygen concentration and depletion and their relative position to each other. Physical oxygen transport was found to be relevant for oxycline persistence when it considerably postponed anoxia on a long time scale. However, its influence on oxygen dynamics was minor on short time scales, although mixing and transport were highly variable. Biochemical consumption always dominated the fate of oxygen in pelagic oxyclines. It was primarily determined by the oxidative breakdown of organic matter originating from the epilimnion, whereas in meromictic lakes, the oxidation of reduced substances dominated. Beyond that, the results of the thesis emphasize that pelagic oxyclines can be a hotspot of mineralization and, hence, short-circuit carbon and nutrient cycling in the upper part of the water column. Overall, the present thesis highlights the importance of considering physical transport as well as biochemical cycling in future studies.
Während es eine Vielzahl von Arbeiten zu der technologischen Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien gibt, fehlt es jedoch bislang an einer mikroökonomischen Analyse
der Verhaltensmuster der Akteure im Umfeld von Anlagen nach dem EEG. Als Akteure kommen hier in erster Linie der Anlagenbetreiber selbst und der Staat in Betracht.
Im Hinblick auf Anlagenbetrieb und Vergütung der erzeugten Energie können beide mit unterschiedlichsten Interessen und Nutzenkalkülen aufeinander treffen. Diese Arbeit untersucht
mikroökonomische Aspekte des EEG-Förderungssystems. Im Mittelpunkt der Betrachtung stehen die Förderungsmechanismen für Biogasanlagen, die im Hinblick auf mögliche Prinzipal-Agenten-Konflikte einer Untersuchung unterzogen werden.
Die Vermeidung von Lebensmittelabfällen als nicht-technische Strategie zur Umsetzung der Bioökonomie
(2018)
Das Konzept der Bioökonomie beruht auf der Vision einer Wirtschaft, die durch die bevorzugte Verwendung biogener Rohstoffe unabhängiger wird von der Nutzung fossiler Quellen und gleichzeitig einen Beitrag zu Klima- und Ressourcenschutz, Ernährungssicherung und Stärkung der heimischen Wirtschaft leisten kann. Da die land- und forstwirtschaftliche Bio-masseproduktion aufgrund knapper Flächen jedoch begrenzt ist und sich bereits heute die negativen Folgen einer verstärkten Nachfrage zeigen, wird bezweifelt, dass sich die Vision in nachhaltiger Weise realisieren lässt. Offizielle Bioökonomie-Strategien setzen auf einen Technik-basierten Umsetzungspfad, in der Hoffnung, mit Hilfe technischer Innovationen Biomasseproduktion und Umweltverbrauch zu entkoppeln. Kritiker aus Wissenschaft und Zivilgesellschaft stehen diesem Weg skeptisch gegenüber. Sie befürchten, dass Effizienzsteigerungen und die Entwicklung neuer, umweltverträglicher Konversionsprozesse nicht ausreichen werden, um potentiell negative Folgen einer verstärkten Biomassenutzung abzuwenden. Angesichts der natürlichen Grenzen der Biosphäre sehen sie vor allem nicht-technische Ansätze zur Veränderung von Produktions- und Konsummustern als unverzichtbare Voraus-setzungen an. Mit der Formulierung eines sozial-ökologischen Umsetzungspfads wird eine Modifizierung des Bioökonomie-Konzepts gefordert, von einem bloßen Wandel der Ressourcenbasis hin zu einer umfassenden gesellschaftlichen Transformation, mit dem Ziel, Ressourcenverbrauch und Rohstoffproduktion neu zu justieren.
Die Arbeit stellt anhand des Beispiels der Lebensmittelabfälle die Bedeutung nicht-technischer Ansätze für die Realisierung der Bioökonomie heraus. Die Basis bilden fünf Publikationen, von denen sich drei mit dem Aufkommen von Lebensmittelabfällen, den Ursachen ihrer Entstehung und möglichen Vermeidungsstrategien befassen. Die anderen beiden Veröffentlichungen behandeln Flächenkonkurrenzen in der Landwirtschaft sowie Implementierungspfade der Bioökonomie. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass der Beitrag von Lebensmittelabfällen zur Bioökonomie auf zwei Weisen denkbar ist: Entweder können diese als Ausgangsstoff für die Biogasproduktion oder die Bioraffinerie genutzt werden, was der aktuell vorherrschenden Vorstellung entspricht. Oder es können durch eine Reduktion des Abfallaufkommens Ressourcen, die bisher in die Bereitstellung nicht konsumierter Lebensmittel flossen, für andere Biomassenutzungen freigesetzt werden.
Die Analyse des Abfallaufkommens und der damit verbundenen Umweltwirkungen, aber auch vorhandene Studien über die ökologischen Wirkungen von Abfallvermeidungs- und verwertungsoptionen zeigen, dass die Vermeidung unter dem Gesichtspunkt der Ressourceneffizienz die sinnvollere Option darstellt. Die Arbeit hebt das Potenzial hervor, das sich aus der Berücksichtigung einer Reduktion von Lebensmittelabfällen für die Bioökonomie ergeben könnte. So ist denkbar, dass durch einen effizienteren Umgang mit den bereits produzierten Nahrungsmitteln Ressourcen freigesetzt werden können, die den Spielraum für die Realisierung der Bioökonomie verbessern würden oder aber Perspektiven entstehen für alternative Formen des Landbaus, die eine umweltverträglichere Biomasseproduktion ermöglichen könnten. Da nicht-technische Ansätze in der aktuellen Bioökonomie-Debatte kaum Berücksichtigung finden, besteht Bedarf, diese in das politische Konzept der Bioökonomie einzubeziehen und den wissenschaftlichen Diskurs für diese Aspekte zu öffnen.
Assessment of renewable energy potentials based on GIS. A case study in southwest region of Russia
(2018)
In the present thesis, the initial conditions for the development of RES potentials for the production of wind, solar and biomass energy in the Krasnodar region (southwestern region of the Russian Federation) are examined using a multi-criteria assessment methodology. For the assessment of the RES potentials at regional scale, the prosed multi-criteria methodology based on the geographic information systems (GIS) and has been complemented by the evaluation and analysis of primary and secondary data as well as economic calculations relevant related to economic feasibility of RES projects.
Aquatische Ökosysteme sind einer Vielzahl an Umweltstressoren sowie Mischungen chemischer Substanzen ausgesetzt, darunter Petroleum und Petrochemikalien, Metalle und Pestizide. Aquatische Gemeinschaften wirbelloser Arten werden als Bioindikatoren genutzt,
um Langzeit- sowie integrale Effekte aufzuzeigen. Die Information über das Vorkommen von Arten kann dabei um weitere Informationen zu Eigenschaften dieser Arten ergänzt werden.
SPEAR-Bioindikatoren fassen diese Informationen für Artengemeinschaften zusammen.
Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Spezifität von SPEAR-Indikatoren gegenüber
einzelnen Chemikaliengruppen zu verbessern – speziell für Ölsand-Bestandteile,
Kohlenwasserstoffe und Metalle.
Für die Entwicklung eines Bioindikators für diskontinuierliche Belastung mit organischen Ölbestandteilen wurde eine Freilandbeprobung in der kanadischen Ölsand-Abbauregion im nördlichen Alberta durchgeführt. Die Arteneigenschaften „physiologische Sensitivitiät
gegenüber organischen Chemikalien“ sowie „Generationszeit“ wurden in einem Indikator,
SPEARoil, integriert, welcher die Sensitivität der Artengemeinschaften gegenüber Ölsand-Belastung in Abhängigkeit von luktuierenden hydrologischen Bedingungen aufzeigt.
Äquivalent zum SPEARorganic-Ansatz wurde eine Rangliste der physiologischen Sensitivität einzelner Arten gegenüber Kohlenwasserstoff-Belastung durch Rohöl oder Petroleum
entwickelt. Hierfür wurden Informationen aus ökotoxikologischen Kurzzeit-Laborversuchen durch Ergebnisse aus Schnell- und Mesokosmen-Tests ergänzt. Die daraus entwickelten
Shydrocarbons-Sensitivitätswerte können in SPEAR-Bioindikatoren genutzt werden.
Um Metallbelastung in Gewässern mittels Bioindikatoren spezifisch nachweisen zu können,
wurden die Arteneigenschaften „physiologische Metallsensitivität“ und „Ernährungsweise“
von Artengemeinschaften in australischen Feldstudien ausgewertet. Sensitivitätswerte für
Metalle erklärten die Effekte auf die Artengemeinschaften im Gewässer jedoch unzureichend.
Die „Ernährungsweise“ hingegen war stark mit der Metallbelastung korreliert. Der Anteil räuberischer Invertebratenarten in einer Gemeinschaft kann daher als Indikator für Metallbelastung in Gewässern dienen.
Weiterhin wurden verschiedene Belastungsanzeiger für Chemikalien-Cocktails in der Umwelt anhand von Pestizid-Datensätzen verglichen. Belastungsanzeiger, die auf der 5%-Fraktion
einer Species-Sensitivity-Distribution beruhen, eigneten sich am besten, gefolgt von Toxic Unit-Ansätzen, die auf der sensitivsten Art einer Gemeinschaft oder Daphnia magna beruhen.
Die Organische Bodensubstanz (OBS) nimmt eine Schlüsselrolle in der Sequestrierung organischer Moleküle und damit in der Regulierung ihrer Mobilität in Böden ein. Sie besteht aus Molekülen, die durch supramolekulare Wechselwirkungen strukturiert sind und dynamisch auf Umweltfaktoren und andere Moleküle reagieren können. Der Einfluss von Sorbateigenschaften und supramolekularer Struktur der OBS und deren Dynamik auf Sorptionsprozesse an der OBS ist bisher nur begrenzt verstanden. Ein Beispiel für das dynamische Verhalten der OBS ist deren physikochemische Alterung, die zu Umstrukturierungen in der OBS-Matrix führt. Dieser liegt die Bildung von Wassermolekülbrücken (WaMB) zwischen funktionellen Gruppen einzelner Molekülsegmente zugrunde. Da die WaMB die Struktur der OBS und ihre Stabilität wesentlich beeinflussen, wird davon ausgegangen, dass diese zur Sequestrierung von organischen Molekülen in der OBS beitragen. Diese Hypothese wurde jedoch noch nicht experimentell überprüft. Bisheriges Wissen darüber, wie organische Moleküle die Eigenschaften von WaMB beeinflussen, basiert weitestgehend auf Computermodellierungen. Da unbekannt ist, wie Moleküle, die in die OBS eindringen, deren physikalische Phasen beeinflussen, bedürfen insbesondere die vermuteten Wechselwirkungen zwischen organischen Molekülen und aliphatischen kristallinen Phasen unbedingt einer experimentellen Überprüfung.
Dazu wurden in dieser Arbeit die folgenden Hypothesen experimentell getestet. 1) Analog zu kristallinen Phasen in synthetischen Polymeren können aliphatische Kristallite in der OBS nicht von organischen Molekülen durchdrungen werden. 2) Die Stabilität von WaMB wird durch die Fähigkeit, der sie umgebenden Moleküle mit Wassermolekülen zu interagieren, bestimmt. 3) WaMB können verhindern, dass organische Moleküle die OBS-Matrix verlassen und tragen dadurch zu ihrer physikalischen Immobilisierung bei. Um die Hypothesen 1 und 2 zu überprüfen, wurden Böden mit ausgewählten Chemikalien behandelt, deren Wechselwirkungspotenzial mit Parametern der Theorie der Linearen Solvatationsenergiebeziehung charakterisiert wurde. Die Eigenschaften der WaMB, wie thermische Stabilität und Mobilität der verknüpften OBS-Molekülsegmente, wurden mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DDK) charakterisiert. Struktur und thermische Eigenschaften von aliphatischen Kristalliten wurden mithilfe von 13C-NMR-Spektroskopie und DDK untersucht. Die Dotierung von Bodenproben mit dem Modellschadstoff Phenol und Messungen zur Phenoldesorption ermöglichten es, die Parameter der Desorptionskinetik mit WaMB-Eigenschaften zu verknüpfen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die WaMB-Stabilität wesentlich durch Moleküle mit H-Donor- und Akzeptoreigenschaften gesenkt wird. Die mit den WaMB einhergehende Starrheit der OBS-Matrix wurde hauptsächlich durch das McGowan-Volumen der interagierenden Moleküle beeinflusst, was auf einen großen Einfluss der Dispersionskräfte hindeutet. Die Desorption von Phenol folgte einer Kinetik erster Ordnung mit zwei Zeitkonstanten, die beide mit der WaMB-Stabilität korrelierten, was die Hypothese stützt, dass WaMB zur physikalischen Immobilisierung von Phenol beiträgt. Die aliphatischen Kristalliten unterlagen nach Kontakt mit ausgewählten Chemikalien strukturellen Änderungen, die zu einem amorpheren Zustand und zu einer Senkung des Schmelzpunkts und einer signifikanten Abnahme der Kristallinität in der OBS führten. Diese strukturellen Änderungen konnten sowohl von Molekülen mit spezifischen, als auch von solchen mit unspezifischen Wechselwirkungen verursacht werden. Dies zeigt, dass Moleküle mit einem breiten Spektrum an Wechselwirkungspotenzialen in aliphatische Kristallite eindringen und deren Struktur verändern können.
Am Beispiel von WaMB und aliphatischen Kristalliten wurde aus dieser Arbeit ersichtlich, dass organische Moleküle mit Bestandteilen der OBS interagieren und messbare Änderungen in deren Struktur und Eigenschaften verursachen können. Neben der Relevanz von aliphatischen Kristalliten für Sorptionsprozesse im Boden wurde gezeigt, dass die physikochemische Matrixalterung signifikant zur Immobilisierung von Schadstoffen in der OBS beiträgt.
In Agrarlandschaften zählen Laufkäfer zu den weit verbreiteten Fressfeinden verschiedener Schädlinge, wie etwa von Nacktschnecken. Einflüsse von naturnahen Randstrukturen auf Laufkäfer und deren Potenzial zur natürlichen Schädlingsbekämpfung sind bekannt.
Der Einfluss von naturnahen Randstrukturen wurde auf randstrukturbewohnende Laufkäfer und Schnecken untersucht (Kapitel 2). Die Mehrzahl an Laufkäfern sowie Deroceras reticulatum präferierten Krautsäume, wohingegen Arion spp. vor allem in Gehölzen vorkam. Steigende Abundanzen von räuberischen Laufkäferarten und abnehmende Zahlen von Arion spp., gefördert durch einen hohen Anteil an Randstrukturen, lassen auf ein erhöhtes Potenzial zur Schneckenbekämpfung in strukturreichen Landschaften schließen.
Der Einfluss von naturnahen Randstrukturen wurde auf räuberische Laufkäfer und Schnecken in 18 Weizenfeldern getestet (Kapitel 3). Der Artenreichtum an karnivoren Laufkäfern stieg zusammen mit dem Anteil an Randstrukturen in der Landschaft, wobei deren Abundanz von kleinräumigen Effekten unbeeinflusst blieb. Die beiden Schädlinge zeigten unterschiedliche Muster, wobei Dichten von Arion spp. an Gehölzen in strukturarmen Landschaften am höchsten waren. D. reticulatum wurde weder durch lokale noch von großräumigen Effekten beeinflusst, was auf ihre Anpassung an Agrarlandschaften zurückzuführen ist. Die Ergebnisse lassen auf eine gesteigerte Kontrolle von Arion spp. durch Laufkäfer in strukturreichen Gebieten schließen.
Effekte von Randstrukturen und Bewirtschaftung wurden auf die Verteilung von Laufkäfern in 18 Kürbisfeldern getestet (Kapitel 4). Der Artenreichtum stieg mit Nähe zu den Randstrukturen, wobei Laufkäferabundanzen je nach Habitattyp unterschiedlich beeinflusst wurden. Die Bewirtschaftungsart hatte keinen Einfluss auf Laufkäfer und Landschaftsheterogenität beeinflusste nur Laufkäfer in ökologisch bewirtschafteten Feldern.
Prädationsexperimente von Schnecken und deren Eiern durch drei Laufkäferarten wurden im Labor in Einzel- und Zweierkonstellationen durchgeführt (Kapitel 5). Je nach Art wurden synergistische und additive Effekte gemessen. Generell erhöhen naturnahe Randstrukturen das Potenzial zur Schneckenbekämpfung durch Laufkäfer, was vor allem für Schnecken der Gattung Arion zählt. Es ist wichtig, einen bestimmten Anteil an naturnahen Randstrukturen in Agrarlandschaften bereitzustellen, da sie als Rückzugs-, Eiablage- und Überwinterungsorte fungieren und komplementäre Nahrungsressourcen bereitstellen.
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.
Sediment transport contributes to the movement of inorganic and organic material in rivers. The construction of a dam interrupts the continuity of this sediment transport through rivers, causing sediments to accumulate within the reservoir. Reservoirs can also act as carbon sinks and methane can be released when organic matter in the sediment is degraded under anoxic conditions. Reservoir sedimentation poses a great threat to the sustainability of reservoirs worldwide, and can emit the potent greenhouse gas methane into the atmosphere. Sediment management measures to rehabilitate silted reservoirs are required to achieve both better water quantity and quality, as well as to mitigate greenhouse gas emissions.
This thesis aims at the improvement of sediment sampling techniques to characterize sediment deposits as a basis for accurate and efficient water jet dredging and to monitor the dredging efficiency by measuring the sediment concentration. To achieve this, we investigated freeze coring as a method to sample (gas-bearing) sediment in situ. The freeze cores from three reservoirs obtained were scanned using a non-destructive X-Ray CT scan technique. This allows the determination of sediment stratification and character-ization of gas bubbles to quantify methane emissions and serve as a basis for the identi-fication of specific (i.e. contaminated) sediment layers to be dredged. The results demon-strate the capability of freeze coring as a method for the characterization of (gas-bearing) sediment and overcomes certain limitations of commonly used gravity cores. Even though the core’s structure showed coring disturbances related to the freezing process, the general core integrity seems to not have been disturbed. For dredging purposes, we analyzed the impact pressure distribution and spray pattern of submerged cavitating wa-ter jets and determined the effects of impinging distances and angles, pump pressures and spray angles. We used an adapted Pressure Measurement Sensing technique to enhance the spatial distribution, which proved to be a comparatively easy-to-use meas-urement method for an improved understanding of the governing factors on the erosional capacity of cavitating water jets. Based on this data, the multiple linear regression model can be used to predict the impact pressure distribution of those water jets to achieve higher dredging accuracy and efficiency. To determine the dredging operational efficien-cy, we developed a semi-continuous automated measurement device to measure the sediment concentration of the slurry. This simple and robust device has lower costs, compared to traditional and surrogate sediment concentration measurement technolo-gies, and can be monitored and controlled remotely under a wide range of concentrations and grain-sizes, unaffected by entrained gas bubbles
Die Nachhaltigkeitsberichterstattung kann als ein zentrales Element einer konsequenten Unternehmensstrategie zur Umsetzung der gesellschaftlichen Verantwortung (Corporate Social Responsibility) angesehen werden. Um die Unternehmen bei dieser Aufgabe zu unterstützen stellt die Global Reporting Initiative (GRI) mit ihren G4 Leitlinien einen Orientierungsrahmen bereit, dessen Anwendung sich allerdings für Klein und Mittelunternehmen sehr komplex gestaltet. Ein branchenspezifisches Sector Supplement für den Weinbau existiert derzeit noch nicht.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese Forschungslücke durch die Entwicklung weinbauspezifischer Nachhaltigkeitsaspekte und Indikatoren zu schließen, um den Betrieben eine selbstständige GRI-konforme Berichterstattung zu ermöglichen.
Der Prozess zur Identifikation wesentlicher Nachhaltigkeitsaspekte und -indikatoren erfolgt mittels Erhebungs- und Auswertungsmethoden der qualitativen Sozialforschung in Form
von Workshops, betrieblichen Vorortanalysen und Experteninterviews.
Parallel dazu erfolgt eine umfassende Analyse der weinbaulichen Wertschöpfungskette in Form einer Internet- und Literaturrecherche. Diese umfasst vorrangig die ökologischen Nachhaltigkeitsaspekte als diejenigen Bestandteile weinbaulicher Tätigkeiten, die sich sowohl positiv als auch negativ auf die Umwelt auswirken können. Anschließend erfolgt die zentrale Priorisierung der identifizieren Handlungsfelder und Nachhaltigkeitsthemen durch die Stakeholder. Zur Visualisierung der bewerteten Handlungsfelder dient das Instrument der Wesentlichkeitsanalyse.
Auf dieser Basis erfolgt die Entwicklung eines Handlungsleitfadens zur Erstellung von Nachhaltigkeitsberichten in der Weinwirtschaft. Hiermit erlangen Weingüter die praktische Kompetenz ein eigenes Nachhaltigkeitsreporting anzugehen.
Im Rahmen der Arbeit wurde auch ein elektronisches Tool entwickelt, das den Betrieben die Möglichkeit eröffnet, betriebliche Umweltaspekte zu erfassen und zu bewerten. Gleichzeitig wird den Anwendern damit die Generierung eines überbetrieblichen Vergleichs der Umweltleistung ermöglicht (Benchmarking).
Eine weitere Forschungsfrage der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Biodiversitätserfassung und -bewertung für Rebland. Hintergrund sind die bisher nur geringen Funde auf der durch das Bundesamt für Naturschutz festgelegten Kennartenlisten bzw. den HNV-Stichprobenflächen (High nature value farmland-Indikator) für Rebland.
Hierzu wurde mittels Geoinformationssystemen das Artenvorkommen in rheinland-pfälzischen Weinanbaugebieten analysiert und 30 Pflanzenarten als Indikatorarten für den Weinbau abgeleitet. Ergänzend wurden weinbergstypische, geschützte Tierarten als „Bonusarten“ identifiziert. Die Indikatorarten werden den Winzern als ein Instrument zur eigenständigen Erfassung der Biodiversität in den Weinbergen dienen und im Rahmen einer Nachhaltigkeitsberichterstattung herangezogen werden können.
The bio-insecticide Bacillus thuringiensis israelensis (Bti) has worldwide become the most commonly used agentin mosquito control programs that pursue two main objectives: the control of vector-borne diseases and the reduction of nuisance, mainly coming frommosquitoes that emerge in large quantities from seasonal wetlands. The Upper Rhine Valley, a biodiversity hotspot in Germany, has been treated withBti for decades to reduce mosquito-borne nuisance and increase human well-being.Although Btiis presumed to be an environmentally safe agent,adverse effects on wetland ecosystems are still a matter of debate especially when it comes to long-term and indirect effects on non-target organisms. In light of the above, this thesis aims at investigating direct and indirect effects of Bti-based mosquito control on non-target organisms within wetland food chains.Effects were examinedin studies with increasingeco(toxico)logical complexity, ranging from laboratory over mesocosm to field approaches with a focus on the non-biting Chironomidae and amphibian larvae (Rana temporaria, Lissotriton sp.).In addition, public acceptance of environmentally less invasive alternative mosquito control methods was evaluated within surveys among the local population.
Chironomids were the most severely affected non-target aquatic invertebrates. Bti substantially reduced larval and adult chironomid abundances and modified their species composition. Repeated exposures to commonly used Bti formulations induced sublethal alterations of enzymatic biomarkers activityin frog tadpoles. Bti-induced reductions of chironomid prey availability indirectly decreased body size of newts at metamorphosis and increased predation on newt larvae in mesocosm experiments. Indirect effects of severe reductions in midge biomassmight equally be passed through aquatic but also terrestrial food chains influencing predators of higher trophic levels. The majority ofaffectedpeople in the Upper Rhine Valley expressed a high willingness to contributefinancially to environmentally less harmful mosquito control.Alternative approaches could still include Bti applications excepting treatment of ecologically valuable areas. Potentially rising mosquito levels could be counteracted with local acting mosquito traps in domestic and urban areas because mosquito presence was experienced as most annoying in the home environment.
As Bti-based mosquito control can adversely affect wetland ecosystems, its large-scale applications, including nature conservation areas, should be considered more carefully to avoid harmful consequences for the environmentat the Upper Rhine Valley.This thesis emphasizesthe importance to reconsiderthe current practice of mosquito control and encourage research on alternative mosquito control concepts that are endorsed by the local population. In the context ofthe ongoing amphibian and insect declinesfurther human-induced effects onwetlands should be avoided to preserve biodiversity in functioning ecosystems.
Seit der Domestizierung von Wein vor über 6000 Jahren haben Weinbauern mit Krankheiten und Schädlingen ihrer Pflanzen zu kämpfen. Seitdem führen neue Anbaumethoden und ein besseres Verständnis der ökologischen Prozesse im Weinberg zu wachsenden Erträgen und steigender Traubenqualität. In dieser Arbeit beschreibe ich die Effekte zweier innovativer Anbaumethoden auf Schädlinge und Nützlinge im Weinbau; Pilzwiderstandsfähige Sorten (PIWIs) und das Reberziehungssystem Minimalschnitt im Spalier (SMPH). SMPH erlaubt eine drastische Reduktion des Arbeitsaufwands im Weinberg. PIWIs sind resistent gegenüber zwei der destruktivsten Pilzkrankheiten der Rebe und bleiben daher bei deutlich weniger Pflanzenschutzbehandlungen als herkömmliche Sorten gesund. Übermäßiger Gebrauch von Pestiziden wird mit einer Reihe von Problemen wie Gewässerverschmutzung, Gesundheitsfolgen beim Menschen, und Biodiversitätsverlust in Verbindung gebracht. In dieser Arbeit wurden Effekte von reduzierten Fungizid Spritzungen auf Nützlinge wie Raubmilben, Spinnen, Ameisen, Ohrwürmer und Florfliegen untersucht. Diese Gruppen profitierten entweder von den reduzierten Fungizidmengen, oder sie wurden nicht signifikant beeinflusst. Strukturelle Unterschiede in der SMPH Laubwand beeinflussten das Mikroklima im Vergleich zur Spaliererziehung. Sowohl strukturelle als auch mikroklimatische Veränderungen beeinflussten einige Arthropodengruppen im Wein.
Insgesamt lässt sich Schlussfolgern, dass sowohl PIWI Sorten als auch das Schnittsystem SMPH ein großes Potential haben, die Bedingungen für natürliche Schädlingskontrolle zu verbessern. Dies reiht sich in eine Liste anderer Vorteile dieser Managementmethoden, wie zum Beispiel eine Reduktion der Produktionskosten und verbesserte Nachhaltigkeit.
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.
Gel effect induced by mucilage in the pore space and consequences on soil physical properties
(2020)
Wasseraufnahme, Atmung und Exsudation sind biologische Schlüsselfunktionen der Wurzeln höherer Pflanzen. Sie steuern das Pflanzenwachstum, indem sie die biogeochemischen Parameter des Bodens in unmittelbarer Nähe der Wurzeln, der Rhizosphäre, verändern. Folglich sind Bodenprozesse wie beispielsweise Wasserflüsse, Kohlen- und Stickstoffaustausch oder mikrobielle Aktivitäten in der Rhizosphäre im Vergleich zu freiem Boden begünstigt. Insbesondere die Exsudation von Mucilage durch die Pflanzenwurzeln scheint ein wichtiger Mechanismus zu sein, um Trockenstress vorzubeugen. Durch diese gelartige Substanz wird bei negativen Wasserpotentialen sowohl der Bodenwassergehalt als auch die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit erhöht. Die Veränderung der Bodeneigenschaften durch Mucilage ist Gegenstand aktueller Forschung. Ein umfassendes Verständnis der Mechanismen im Porenraum der Rhizosphäre ist bisher allerdings noch unzureichend.
Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der Gel-Eigenschaften von Mucilage im Porenraum der Rhizosphäre, um Veränderungen der physiko-chemischen Eigenschaften der Rhizosphäre auf dieses interpartikuläre Mucilage zurückzuführen. Dabei stellten sich drei Herausforderungen: Zunächst einmal mangelte es an Methoden zur in situ Detektion von Mucilage im Boden. Außerdem fehlten detaillierte Kenntnisse bezüglich der Eigenschaften von interpartikulärem Mucilage. Desweiteren war die Beziehung zwischen der Zusammensetzung und den Eigenschaften von Modelsubstanzen und wurzelstämmigem Mucilage verschiedener Spezies unbekannt. Diese Fragen werden in den verschiedenen Kapiteln der Arbeit thematisiert.
Zunächst erfolgte eine Literaturrecherche, um Informationen aus verschiedenen Wissenschaftsbereichen über Methoden zur Charakterisierung von Gelen und Gel-Phasen im Boden zusammenzustellen. Die Änderung von Bodeneigenschaften aufgrund vorhandener Biohydrogelphasen im Boden kann als „Gel-Effekt“ bezeichnet werden. Die kombinierte Studie von Wassereinschlüssen in Gelen und Boden-Gel-Phasen mit der Untersuchung struktureller Eigenschaften von Boden hinsichtlich der mechanischen Stabilität und visueller Strukturen, zeigte sich als vielversprechend, um den Gel-Effekt im Boden zu charakterisieren.
Das erworbene methodische Wissen wurde in den nächsten Untersuchungen angewendet, um die Eigenschaften von interpartikulären Gelen zu detektieren und zu charakterisieren. 1H NMR Relaxometrie erlaubt die nicht-invasive Bestimmung der Wassermobilität in porösen Medien. Ein konzeptuelles Modell wurde aus Gleichungen entwickelt, welche die Proton-Relaxation in gelhaltigen porösen Medien beschreiben. Dieses Modell berücksichtigt den beschriebenen Gel-Effekt bei der Wahl der NMR Parameter und quantifiziert den Einfluss von Mucilage auf die Proton-Relaxation. Darüber hinaus wurde mithilfe von Rheometrie die Viskosität von Mucilage sowie die mikrostrukturelle Bodenstabilität bestimmt. Mittels Rasterelektronenmikroskopie wurde die Netzwerkstruktur von interpartikulärem Gel visualisiert. Die kombinierte Auswertung dieser Ergebnisse identifizierte drei wichtige Eigenschaften von interpartikulärem Gel: Der „Spinnennetz-Effekt“ schränkt die Dehnung der Polymerketten aufgrund der Verbindung zwischen dem Polymer Netzwerk und der Oberfläche von Bodenpartikeln ein. Der „Polymer-Netzwerk-Effekt“ veranschaulicht die Anordnung des Polymernetzwerks im Porenraum gemäß der räumliche Umgebung. Der „Mikroviskositäts-Effekt“ beschreibt die erhöhte Viskosität von interpartikulärem Gel im Vergleich zu freiem Gel. Die Auswirkungen dieser Eigenschaften auf die Wassermobilität und auf die mikrostrukturelle Stabilität des Bodens wurden untersucht und daraus resultierende Konsequenzen für hydraulische und mechanische Eigenschaften des Bodens diskutiert.
Der Einfluss von den chemischen Eigenschaften von Polymeren auf Gel-Bildungsmechanismen und Gel-Eigenschaften wurde untersucht. Dafür wurden Modelsubstanzen mit verschiedenen Uronsäure-Gehalt, Veresterungsgrade und Calcium-Gehalt getestet und die Menge an Materialanteil mit hohem Molekulargewicht quantifiziert. Die untersuchten Modelsubstanzen waren verschiedenen Pektin Polymeren und Chia Samen Mucilage. Darüber hinaus wurde Mucilage aus Winterweizen und Mais Wurzeln isoliert und untersucht. Polygalakturonsäure und Niedermethyliertes Pektin erwiesen sich als nicht geeignete Modelpolymere für Samen und Wurzelmucilage, da ionische Wechselwirkungen mit Calcium ihre Eigenschaften dominieren. Die dem Mucilage zuzurechnenden Eigenschaften scheinen eher durch schwache elektrostatische Wechselwirkungen zwischen verstrickten Polymerketten beherrscht zu sein. Die Menge an Material mit hohem Molekulargewicht variiert deutlich, abhängig von dem Ursprung des Mucilages. Dies scheint ein bedeutender Faktor für den Gel-Effekt von Mucilage im Boden zu sein. Zusätzlich zu der chemischen Charakterisierung der hochmolekulargewichtigen Polymere ist die exakte Bestimmung der Molekularmassen und der Konformation in verschiedenen Mucilagesorten notwendig, um Zusammensetzungs-Eigenschafts-Profile aufzeichnen zu können. Die Abweichungen zwischen den verschiedenen Mucilagestypen, welche sich durch die Messungen ergeben, haben die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen unterstrichen. Nur so lässt sich die Frage klären, wie die spezifischen Eigenschaften von verschiedenen Mucilagestypen auf die Bedürfnisse der Pflanze abgestimmt sind, der sie entstammen.
Schließlich wurde diskutiert, wie die Betrachtung von molekularen Wechselwirkungen im Gel und interpartikulären Gel-Eigenschaften das Verständnis über die physikalischen Eigenschaften der Rhizosphäre erweitert. Dieser Ansatz ist vielversprechend, um zum Beispiel der Wassergehalt oder die hydraulische Leitfähigkeit entsprechend die Eigenschaften vom exudierten Mucilage zu klären. Darüber hinaus liegt die Vermutung nahe, dass der Gel-Effekt allgemein für alle Bodenexsudate mit Gel-Charakter Gültigkeit besitzt. Eine Klassifizierung natürlicher Boden-Gel-Phasen einschließlich der von Wurzeln, Samen, Bakterien, Hyphen oder Regenwürmern exsudierten, gelartigen Materialien nach ihren gemeinsamen physiko-chemischen Gel-Eigenschaften wird für die zukünftige Forschung empfohlen. Als Ergebnis könnten die physiko-chemische Eigenschaften von solchen Gelen zum Gel-Effekt den Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften und den Funktionen von den Gelen im Boden zugeschrieben worden.
Internationale Bildungsstudien (TIMSS und PISA) offenbarten, dass es deutschen Schülern nur begrenzt gelingt, ihr erworbenes Wissen im Physikunterricht zur Problemlösung in neuen Kontexten zu nutzen. Als Grund nennen die Studien die gering ausgeprägte Kompetenz-erwartung in Bezug zum Fach Physik. Die Folge ist eine geringe Motivation der Lernenden, physikalische Aufgaben zu lösen. Studien zeigen aber auch, dass die Motivation beim Lernen durch den Einsatz digitaler Lernmedien gesteigert werden konnte. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit untersucht, ob das Vertrauen in die eigenen Fähigkeiten durch das Lernen in einer integrierten Lernumgebung gefördert werden kann. Im Rahmen eines Design-Based-Research-Forschungsansatzes (DBR) wurde eine integrierte Lernumgebung „Wärmelehre“ mit digitalen Lernmedien für den Physikunterricht gestaltet, die dann in zwei Schulformen (IGS und Gymnasium) innerhalb einer quasi-experimentellen Feldstudie erprobt wurde. Im 1. Zyklus des DBR wurden die Wirkungen des selbstständigen Lernens mit digitalen/analogen Medien in Einzelarbeit untersucht. Die Ergebnisse der Wissenstests zeigen einen höheren Lernerfolg bei den Lernenden der Experimentalgruppen, der sich aber nicht signifikant von den Lernenden der Kontrollgruppen (analoge Medien) unterscheidet. Die Lernenden konnten sich in der integrierten Lernumgebung mit Unterstützung beider Medienformate selbstständig Fachwissen aneignen und problembasierte Textaufgaben lösen. Die Ergebnisse der Befragungen der Lernenden zeigen, dass sich die Lerngruppen signifikant in ihrem erlebten Grad der Selbststeuerung unterscheiden. Die Lernenden beider Experimentalgruppen bewerten ihren Handlungsspielraum besser als die Lernenden der beiden Kontrollgruppen. Ebenfalls konnte festgestellt werden, dass sich die individuellen Lernvoraussetzungen, der Lernstiltyp, das Kompetenzerleben und die Aspekte der Medien-gestaltung wechselseitig beeinflussen und auf den Lernerfolg wirken. Die Ergebnisse der Lernstilanalyse zeigen, dass sich selbst kleine Lerngruppen heterogen zusammensetzen. Demnach scheint es für einen guten Lernerfolg notwendig zu sein, dass die Lehrenden, die Lernumgebung an die individuellen Lernpräferenzen der Lernenden der Lerngruppe anpassen. Aus den Ergebnissen lässt sich als Konsequenz für den Physikunterricht ableiten, dass Selbstlernphasen mit digitalen Lernmedien regelmäßig in den Unterricht integriert werden sollten, um die Problemlöse- und die Selbststeuerungskompetenz zu fördern. Es ist von Vorteil, wenn die Lehrenden für die Gestaltung einer Lernumgebung, das Vorwissen, die individuellen Lernvoraussetzungen und die Zusammensetzung der Lerngruppe (Lernstiltyp) als Qualitätsdimensionen erfassen. Im Re-Design werden Vorschläge unterbreitet, wie die integrierte Lernumgebung lernstilgerecht weiterentwickelt werden kann. Im 2. Zyklus soll dann erforscht werden, ob sich Unterschiede im Lernerfolg und in den untersuchten Aspekten zeigen, wenn die Lernenden in Einzelarbeit, in Partnerarbeit oder in ihrer Lernstilgruppe selbstgesteuert lernen, um die Lernumgebung zyklisch weiterzuentwickeln.