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The global problematic issue of the olive oil industry is in its generation of large amounts of olive mill wastewater (OMW). The direct discharge of OMW to the soil is very common which presents environmental problems for olive oil producing countries. Both, positive as well as negative effects on soil have been found in earlier studies. Therefore, the current study hypothesized that whether beneficial effects or negative effects dominate depends on the prevailing conditions before and after OMW discharge to soil. As such, a better understanding of the OMW-soil interaction mechanisms becomes essential for sustainable safe disposal of OMW on soil and sustainable soil quality.
A field experiment was carried out in an olive orchard in Palestine, over a period of 24 months, in which the OMW was applied to the soil as a single application of 14 L m-2 under four different environmental conditions: in winter (WI), spring (SP), and summer with and without irrigation (SUmoist and SUdry). The current study investigated the effects of seasonal conditions on the olive mill wastewater (OMW) soil interaction in the short-term and the long-term. The degree and persistence of soil salinization, acidification, accumulation of phenolic compounds and soil water repellency were investigated as a function of soil depth and time elapsed after the OMW application. Moreover, the OMW impacts on soil organic matter SOM quality and quantity, total organic carbon (SOC), water-extractable soil organic carbon (DOC), as well as specific ultraviolet absorbance analysis (SUVA254) were also investigated for each seasonal application in order to assess the degree of OMW-OM decomposition or accumulation in soil, and therefore, the persisting effects of OMW disposal to soil.
The results of the current study demonstrate that the degree and persistence of relevant effects due to OMW application on soil varied significantly between the different seasonal OMW applications both in the short-term and the long-term. The negative effects of the potentially hazardous OMW residuals in the soil were highly dependent on the dominant transport mechanisms and transformation mechanisms, triggered by the ambient soil moisture and temperature which either intensified or diminished negative effects of OMW in the soil during and after the application season. The negative effects of OMW disposal to the soil decreased by increasing the retention time of OMW in soil under conditions favoring biological activity. The moderate conditions of soil moisture and temperature allowed for a considerable amount of applied OMW to be biologically degraded, while the prolonged application time under dry conditions and high temperature resulted in a less degradable organic fraction of the OMW, causing the OMW constituents to accumulate and polymerize without being degraded. Further, the rainfall during winter season diminished negative effects of OMW in the soil; therefore, the risk of groundwater contamination by non-degraded constituents of OMW can be highly probable during the winter season.
Conversion of natural vegetation into cattle pastures and croplands results in altered emissions of greenhouse gases (GHG), such as carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O). Their atmospheric concentration increase is attributed the main driver of climate change. Despite of successful private initiatives, e.g. the Soy Moratorium and the Cattle Agreement, Brazil was ranked the worldwide second largest emitter of GHG from land use change and forestry, and the third largest emitter from agriculture in 2012. N2O is the major GHG, in particular for the agricultural sector, as its natural emissions are strongly enhanced by human activities (e.g. fertilization and land use changes). Given denitrification the main process for N2O production and its sensitivity to external changes (e.g. precipitation events) makes Brazil particularly predestined for high soil-derived N2O fluxes.
In this study, we followed a bottom-up approach based on a country-wide literature research, own measurement campaigns, and modeling on the plot and regional scale, in order to quantify the scenario-specific development of GHG emissions from soils in the two Federal States Mato Grosso and Pará. In general, N2O fluxes from Brazilian soils were found to be low and not particularly dynamic. In addition to that, expected reactions to precipitation events stayed away. These findings emphasized elaborate model simulations in daily time steps too sophisticated for regional applications. Hence, an extrapolation approach was used to first estimate the influence of four different land use scenarios (alternative futures) on GHG emissions and then set up mitigation strategies for Southern Amazonia. The results suggested intensification of agricultural areas (mainly cattle pastures) and, consequently, avoided deforestation essential for GHG mitigation.
The outcomes of this study provide a very good basis for (a) further research on the understanding of underlying processes causing low N2O fluxes from Brazilian soils and (b) political attempts to avoid new deforestation and keep GHG emissions low.
The work presented in this thesis investigated interactions of selected biophysical processes that affect zooplankton ecology at smaller scales. In this endeavour, the extent of changes in swimming behaviour and fluid disturbances produced by swimming Daphnia in response to changing physical environments were quantified. In the first research question addressed within this context, size and energetics of hydrodynamic trails produced by Daphnia swimming in non-stratified still waters were characterized and quantified as a function of organisms’ size and their swimming patterns.
The results revealed that neither size nor the swimming pattern of Daphnia affects the width of induced trails or dissipation rates. Nevertheless, as the size and swimming velocity of the organisms increased, trail volume increased in proportional to the cubic power of Reynolds number, and the biggest trail volume was about 500 times the body volume of the largest daphnids. Larger spatial extent of fluid perturbation and prolonged period to decay caused by bigger trail volumes would play a significant role in zooplankton ecology, e.g. increasing the risk of predation.
The study also found that increased trail volume brought about significantly enhanced total dissipated power at higher Reynolds number, and the magnitudes of total dissipated power observed varied in the range of (1.3-10)X10-9 W.
Furthermore, this study provided strong evidence that swimming speed of Daphnia and total dissipated power in Daphnia trails exceeded those of some other selected zooplankton species.
In recognizing turbulence as an intrinsic environmental perturbation in aquatic habitats, this thesis also examined the response of Daphnia to a range of turbulence flows, which correspond to turbu-lence levels that zooplankton generally encounter in their habitats. Results indicated that within the range of turbulent intensities to which the Daphnia are likely to be exposed in their natural habitats, increasing turbulence compelled the organisms to enhance their swimming activity and swim-ming speed. However, as the turbulence increased to extremely high values (10-4 m2s-3), Daphnia began to withdraw from their active swimming behaviour. Findings of this work also demonstrated that the threshold level of turbulence at which animals start to alleviate from largely active swimming is about 10-6 m2s-3. The study further illustrated that during the intermediate range of turbu-lence; 10-7 - 10-6 m2s-3, kinetic energy dissipation rates in the vicinity of the organisms is consistently one order of magnitude higher than that of the background turbulent flow.
Swarming, a common conspicuous behavioural trait observed in many zooplankton species, is considered to play a significant role in defining freshwater ecology of their habitats from food exploitation, mate encountering to avoiding predators through hydrodynamic flow structures produced by them, therefore, this thesis also investigated implications of Daphnia swarms at varied abundance & swarm densities on their swimming kinematics and induced flow field.
The results showed that Daphnia aggregated in swarms with swarm densities of (1.1-2.3)x103 L-1, which exceeded the abundance densities by two orders of magnitude (i.e. 1.7 - 6.7 L-1). The estimated swarm volume decreased from 52 cm3 to 6.5 cm3, and the mean neighbouring distance dropped from 9.9 to 6.4 body lengths. The findings of this work also showed that mean swimming trajectories were primarily horizontal concentric circles around the light source. Mean flow speeds found to be one order of magnitude lower than the corresponding swimming speeds of Daphnia. Furthermore, this study provided evidences that the flow fields produced by swarming Daphnia differed considerably between unidirectional vortex swarming and bidirectional swimming at low and high abundances respectively.
Agriculture covers one third of the world land area and has become a major source of water pollution due to its heavy reliance on chemical inputs, namely fertilisers and pesticides. Several thousands of tonnes of these chemicals are applied worldwide annually and partly reach freshwaters. Despite their widespread use and relatively unspecific modes of action, fungicides are the least studied group of pesticides. It remains unclear whether the taxonomic groups used in pesticide risk assessment are protective for non-target freshwater fungi. Fungi and bacteria are the main microbial decomposers converting allochthonous organic matter (litter) into a more nutritious food resource for leaf-shredding macroinvertebrates. This process of litter decomposition (LD) is central for aquatic ecosystem because it fuels local and downstream food webs with energy and nutrients. Effects of fungicides on decomposer communities and LD have been mainly analysed under laboratory conditions with limited representation of the multiple factors that may moderate effects in the field.
In this thesis a field study was conducted in a German vineyard area to characterise recurrent episodic exposure to fungicides in agricultural streams (chapter 2) and its effects on decomposer communities and LD (chapter 3). Additionally, potential interaction effects of nutrient enrichment and fungicides on decomposer communities and LD were analysed in a mesocosm experiment (chapter 4).
In the field study event-driven water sampling (EDS) and passive sampling with EmporeTM styrene-divinylbenzene reverse phase sulfonated disks (SDB disks) were used to assess exposure to 15 fungicides and 4 insecticides. A total of 17 streams were monitored during 4 rainfall events within the local application period of fungicides in 2012. EDS exceeded the time-weighted average concentrations provided by the SDB disks by a factor of 3, though high variability among compounds was observed. Most compounds were detected in more than half of the sites and mean and maximum peak (EDS) concentrations were under 1 and 3 µg/l, respectively. Besides, SDB disk-sampling rates and a free-software solution to derive sampling rates under time-variable exposure were provided.
Several biotic endpoints related to decomposers and LD were measured in the same sampling sites as the fungicide monitoring, coinciding with the major litter input period. Our results suggest that polar organic fungicides in streams change the structure of the fungal community. Causality of this finding was supported by a subsequent microcosm experiment. Whether other effects observed in the field study, such as reduced fungal biomass, increased bacterial density or reduced microbial LD can be attributed to fungicides remains speculative and requires further investigation. By contrast, neither the invertebrate LD nor in-situ measured gammarid feeding rates correlated with water-borne fungicide toxicity, but both were negatively associated with sediment copper concentrations. The mesocosm experiment showed that fungicides and nutrients affect microbial decomposers differently and that they can alter community structure, though longer experiments are needed to determine whether these changes may propagate to invertebrate communities and LD. Overall, further studies should include representative field surveys in terms of fungicide pollution and physical, chemical and biological conditions. This should be combined with experiments under controlled conditions to test for the causality of field observations.
Aktuelle Schätzungen bestätigten, dass Binnengewässer eine erhebliche Menge Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sowohl auf regionaler Ebene, als auch global freisetzen. Jedoch basieren diese Schätzungen auf extrapolierten gemessenen Daten, ungenügender Auflösung der räumlich-zeitlichen Variabilität und es mangelt an Daten aus ariden und semi-ariden Gebieten, sowie den Kohlestoffquellen aus Kläranlagen.
Für die hier vorliegende Studie analysierten wir monatliche hydrologische und meteorologische Daten sowie Daten zur Wasserqualität von drei Stauseen aus dem Gebiet des unteren Jordans, die zur Trinkwassergewinnung und zur Bewässerung genutzt werden, und schätzten damit deren Emissionsrate an CO2 ab. Wir untersuchten den Effekt von Kläranlagen auf die umliegenden Gewässer im Hinblick auf CH4 und CO2-Emissionen indem wir saisonal aufgelöste Daten der Konzentration der beiden gelösten Gase in Kläranlagenauslässen und in Vorflutern von neun Kläranlagen in Deutschland analysierten. Mithilfe von Low-Cost-Methoden die die CO2-Transportrate und die Ausgasungsrate über Gasblasen messen, untersuchten wir die räumliche und zeitliche Variabilität der CH4 und CO2-Emissionen von aquatischen Süßwasser-Ökosystemen.
Unsere Schätzungen zeigen, dass Stauseen in semi-ariden Regionen CO2 übersättigt sind und somit CO2 an die Atmosphäre abgeben, also eine Netto-Quelle sind.
Die Größenordnung der beobachteten Transportraten der drei jordanischen Stauseen ist vergleichbar mit denen von tropischen Stauseen (3,3 g CO2 m-2 Tag-1). Die CO2-Emissionsrate ist abhängig von Änderungen der Wasseroberfläche, welche durch den Betrieb der Stauseen verursacht sind. Kläranlagen entlassen eine beachtlichen Menge an CH4 (30.9±40.7 kg Jahr-1) und CO2 (0.06±0.05 Gg Jahr-1) in ihre umgebenden Flüsse und Bäche. Deren Emissionsraten sind durch diese Einleitung der Kläranlagen um 1,2-fach für CH4 oder 8,6-fach für CO2 erhöht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl die diffusive als auch die Gasblasenemissionsrate räumlich und zeitlich variabel ist, weshalb beide Emissionsraten bei zukünftigen Studien auch in der nötigen Auflösung gemessen werden sollten.
Wir schlussfolgern, dass bei zukünftigen Emissionsmessungen und –schätzungen von Binnengewässern auch die Gewässerbewirtschaftung, die Kohlenstoffquelle von Kläranlagen und die räumliche und zeitliche Variabilität der Emissionen beachtet werden sollten.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, wie eine repräsentative und aussagekräftige Vergleichbarkeit hinsichtlich der Nachhaltigkeitsleistung (Ökoeffizienz) von Unternehmen branchenunabhängig gewährleistet werden kann trotz der Problematik der Definition repräsentativer Bewertungskriterien der Nachhaltigkeit, sowie der Heterogenität der zu bewertenden Branchen. Bisherige Konzepte zu Umwelt- und Nachhaltigkeitsmanagementsystemen (z.B. EMAS, ISO 14000, ISO 26000, EMASplus), zur Umweltleistungsmessung sowie zur Nachhaltigkeitsbewertung und -berichterstattung (z.B. DNK, GRI) sind mit ihren branchenunabhängigen Formulierung zu allgemein gehalten, um für eine konkrete effizienzorientierte Messung nachhaltigen Wirtschaftens von Unternehmen geeignet zu sein.
Folglich besteht kein System zur Messung der Umweltleistung, um den Forschungsbedarf der Herstellung einer aussagekräftigen Vergleichbarkeit der Ressourcen- und Energieverbräuche der Betriebe einer heterogenen Branche zu begegnen. Angesichts dessen wurde im Rahmen der Arbeit eine allgemeine und branchenunabhängig anwendbare aber dennoch –spezifische Methodik zur Herstellung der Vergleichbarkeit von Unternehmen einer Branche hinsichtlich der Ressourcen- und Energieeffizienz entwickelt. Dabei stellt der Kern der Methodik die Generierung eines betriebsindividuellen Gesamtgewichtungsfaktors dar (GGF-Konzept), welcher als Operationalisierung der Vergleichbarkeit angesehen werden kann und damit der Problematik der Heterogenität begegnet. Die Ermittlung von Kriteriengewichtungen im Rahmen des GGF-Konzeptes kann in Analogie zu einem Entscheidungsproblem bei Mehrfachzielsetzung (Multi Criteria Decision Making – MCDM) gesehen werden, da mehrere Kriterien und Sub-Kriterien zueinander in Relation gesetzt werden mussten. Infolgedessen stellte sich der Analytische-Hierarchie-Prozess als das geeignete Verfahren im Rahmen der Methodikentwicklung heraus. Anwendung fand die Methodik in einem ersten empirischen Test anhand einer ausgewählten Stichprobe von 40 Wäschereibetrieben. Dabei zeigten die Ergebnisse auf, dass repräsentatives sowie aussagekräftiges betriebsindividuelles Benchmarking der Ressourcen- und Energieverbräuche völlig unterschiedlicher und bislang nicht vergleichbarer Betriebe möglich wurde. Hierfür mussten zunächst branchenspezifische repräsentative Bewertungskriterien der Ressourcen- und Energieeffizienz bestimmt werden. Abschließend konnten betriebsspezifische Brennpunkte identifiziert und somit Handlungsempfehlungen zur Optimierung der Ressourcen- und Energieeffizienz der Wäschereibetriebe abgeleitet werden, sodass eine zielorientierte Reduzierung des Ressourcen- und Energieverbrauchs folgen kann.
Bei der Olivenölproduktion fallen innerhalb kürzester Zeit große Mengen Olivenabwasser (OMW) an. OMW kann aufgrund seines hohen Nährstoffgehalts als landwirtschaftlicher Dünger eingesetzt werden. Doch seine öligen und phenolischen Bestandteile schaden dem Boden. Es ist nicht bekannt, inwiefern jahreszeitliche Temperatur- und Niederschlagsschwankungen den Verbleib und die Wirkung der Abwasserkomponenten im Boden längerfristig beeinflussen. Um dem nachzugehen, wurden jeweils 14 L OMW m-2 im Winter, Frühling und Sommer auf verschiedenen Parzellen einer Olivenplantage ausgebracht. Hydrologische Bodeneigenschaften (Wassertropfeneindringzeit, Wasserleitfähigkeit, Kontaktwinkel), physikalisch-chemische Parameter (pH, EC, lösliche Ionen, phenolische Verbindungen, organischer Kohlenstoff) sowie der biologische Abbau (Köderstreifen) wurden erfasst, um den Zustand des Bodens nach der Applikation zu beurteilen. Nach einer Regensaison war die Bodenqualität der im Sommer behandelten Flächen signifikant reduziert. Dies wurde insbesondere anhand einer dreimal niedrigeren biologischen Fraßaktivität, zehnmal höherer Hydrophobizität, sowie einem viermal höheren Gehalt an phenolischen Substanzen im Vergleich zu den Kontrollflächen deutlich. Die Ausbringung im Winter zeigte gegenteilige Effekte, welche das natürliche Regenerierungspotential des Bodens erkennen lassen. Der Einfluss der Frühlingsapplikation lag zwischen den zuvor genannten. Es wurden keinerlei Anzeichen auf Verlagerung von OMW-Bestandteilen in tiefere Bodenschichten beobachtet. Während der feuchten Jahreszeiten gilt die Ausbringung gesetzlich begrenzter Mengen Olivenabwasser somit als vertretbar. Weitere Forschung ist notwendig um den Einfluss von Frühlingsapplikationen zu quantifizieren und weitere Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Mobilität organischer OMW-Bestandteile im Boden zu gewinnen.
Die (un-)kontrollierte Ausbringung von Abwasser aus der Olivenölproduktion (OMW) kann sich sowohl positiv als auch negativ auf die Bodenqualität auswirken. Dabei stellt unter anderem die Verringerung der Benetzbarkeit des Bodens infolge der Ausbringung ein schwerwiegendes Problem dar. Die Auswirkungen der Ausbringung von Abwässern aus der Olivenölproduktion auf Böden zu charakterisieren und die Mechanismen zu untersuchen, die in Verbindung mit der Veränderung der Qualität der organischen Substanz in Abhängigkeit der klimatischen Bedingungen zu einer verringerten Benetzbarkeit des Bodens führen, war Ziel dieser Arbeit. Zu diesem Zweck wurden in Form einer Screening-Studie die Qualität der organischen Bodensubstanz sowie positive und negative Effekte unkontrollierter Ausbringungen bestimmt. Anschließend wurde ein OMW-behandelter, toniger Lehmboden bei vier unterschiedlichen Bodenfeuchten- und Temperaturen inkubiert und ein Feldexperiment in Israel durchgeführt, um die Auswirkungen der OMW-Ausbringung in Abhängigkeit der klimatischen Bedingungen zu untersuchen. Im Fokus stand dabei die Hypothese, dass unter nass-heißen Bedingungen aufgrund eines zügigen Abbaus der organischen Substanz kaum negative Auswirkungen zu erwarten waren. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden neben allgemeinen Bodenparametern (pH, elektr. Leitfähigkeit, Gesamtkohlenstoff, löslicher organischer Kohlenstoff, spezifische UV-Absorption) phenolische Verbindungen, Kohlenstoffisotopenverhältnis, Wassereindringzeit und Kontaktwinkel sowie thermische Stabilität und Brennwert der labilen und stabilen Kohlenstofffraktion ermittelt.
Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die verringerte Benetzbarkeit OMW-behandelter Böden entsprechend dem vorgeschlagenen Mechanismus von den klimatischen Bedingungen und damit dem Ausbringungszeitpunkt abhängt. Unter trocken-heißen Bedingungen war die Benetzbarkeit des Bodens sowohl im Feld als auch im Labor am stärksten beeinträchtigt. Die thermische Analyse zeigt, dass hierfür wahrscheinlich Substanzen der stabilen Kohlenstofffraktion mit erhöhtem Brennwert verantwortlich sind. Mit höherer Temperatur und insbesondere höherer Bodenfeuchte wurde ein zunehmender Abbau der organischen Substanz des OMW in Verbindung mit einer verbesserten Benetzbarkeit beobachtet. Jedoch kann eine zu intensive Bewässerung oder starker Niederschlag, z.B. im Winter, zu einer Auswaschung von phenolischen Inhaltsstoffen des OMW führen, welche eine Gefährdung des Grundwassers darstellen können.
Gleichzeitig hat eine Ausbringung positive Effekte auf den Boden, z.B. durch Zufuhr organischer und anorganischer Nährstoffe. Aufgrund der Ergebnisse stellt die kontrollierte Ausbringung von OMW eine alternative, kostengünstige und nachhaltige Abfallverwendung in Form von Dünger dar. Jedoch sollte, anstatt des bisherigen Ausbringungszeitraumes Winter, das OMW gelagert und erst nach dem letzten Niederschlag am besten unter regelmäßiger Bewässerung ausgebracht werden, um negative Auswirkungen auf den Boden zu vermeiden und von den positiven Effekten zu profitieren.
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.
Global crop production increased substantially in recent decades due to agricultural intensification and expansion and today agricultural areas occupy about 38% of Earth’s terrestrial surface - the largest use of land on the planet. However, current high-intensity agricultural practices fostered in the context of the Green Revolution led to serious consequences for the global environment. Pesticides, in particular, are highly biologically active substances that can threaten the ecological integrity of aquatic and terrestrial ecosystems. Although the global pesticide use increases steadily, our field-data based knowledge regarding exposure of non-target ecosystems such as surface waters is very restricted. Available studies have by now been limited to spatially restricted geographical areas or had rather specific objectives rendering the extrapolation to larger spatial scales questionable.
Consequently, this thesis evaluated based on four scientific publications the exposure, effects, and regulatory implications of particularly toxic insecticides` concentrations detected in global agricultural surface waters. FOCUS exposure modelling was used to characterise the highly specific insecticide exposure patterns and to analyse the resulting implications for both monitoring and risk assessment (publication I). Based on more than 200,000 scientific database entries, 838 peer-reviewed studies finally included, and more than 2,500 sites in 73 countries, the risks of agricultural insecticides to global surface waters were analysed by means of a comprehensive meta-analysis (publication II). This meta-analysis evaluated whether insecticide field concentrations exceed legally accepted regulatory threshold levels (RTLs) derived from official EU and US pesticide registration documents and, amongst others, how risks depend on insecticide development over time and stringency of environmental regulation. In addition, an in-depth analysis of the current EU pesticide regulations provided insights into the level of protection and field relevance of highly elaborated environmental regulatory risk assessment schemes (publications III and IV).
The results of this thesis show that insecticide surface water exposure is characterized by infrequent and highly transient concentration peaks of high ecotoxicological relevance. We thus argue in publication I that sampling based on regular intervals is inadequate for the detection of insecticide surface water concentrations and that traditional risk assessment concepts based on all insecticide concentrations including non-detects lead to severely biased results and critical underestimations of risks. Based on these considerations, publication II demonstrates that out of 11,300 measured insecticide concentrations (MICs; i.e., those actually detected and quantified), 52.4% (5,915 cases; 68.5%) exceeded the RTL for either water (RTLSW) or sediments. This indicates a substantial risk for the biological integrity of global water resources as additional analyses on pesticide effects in the field clearly evidence that the regional aquatic biodiversity is reduced by approximately 30% at pesticide concentrations equalling the RTLs. In addition, publication II shows that there is a complete lack of scientific monitoring data for ~90% of global cropland and that both the actual insecticide contamination of surface waters and the resulting ecological risks are most likely even greater due to, for example, inadequate sampling methods employed in the studies and the common occurrence of pesticide mixtures. A linear model analysis identified that RTLSW exceedances depend on the catchment size, sampling regime, sampling date, insecticide substance class, and stringency of countries` environmental regulations, as well as on the interactions of these factors. Importantly, the risks are significantly higher for newer-generation insecticides (i.e., pyrethroids) and are high even in countries with stringent environmental regulations. Regarding the latter, an analysis of the EU pesticide regulations revealed critical deficiencies and the lack of protectiveness and field-relevance for current presumed highly elaborated FOCUS exposure assessment (publication IV) and overall risk assessment schemes (publication III). Based on these findings, essential risk assessment amendments are proposed.
In essence, this thesis analyses the agriculture–environment linkages for pesticides at the global scale and it thereby contributes to a new research frontier in global ecotoxicology. The overall findings substantiate that agricultural insecticides are potential key drivers for the global freshwater biodiversity crisis and that the current regulatory risk assessment approaches for highly toxic anthropogenic chemicals fail to protect the global environment. This thesis provides an integrated view on the environmental side effects of global high-intensity agriculture and alerts that beside worldwide improvements to current pesticide regulations and agricultural pesticide application practices, the fundamental reformation of conventional agricultural systems is urgently needed to meet the twin challenges of providing sufficient food for a growing human population without destroying the ecological integrity of global ecosystems essential to human existence.
Aquatic macrophytes can contribute to the retention of organic contaminants in streams, whereas knowledge on the dynamics and the interaction of the determining processes is very limited. The objective of the present study was thus to assess how aquatic macrophytes influence the distribution and the fate of organic contaminants in small vegetated streams. In a first study that was performed in vegetated stream mesocosms, the peak reductions of five compounds were significantly higher in four vegetated stream mesocosms compared to a stream mesocosm without vegetation. Compound specific sorption to macrophytes was determined, the mass retention in the vegetated streams, however, did not explain the relationship between the mitigation of contaminant peaks and macrophyte coverage. A subsequent mesocosm study revealed that the mitigation of peak concentrations in the stream mesocosms was governed by two fundamentally different processes: dispersion and sorption. Again, the reductions of the peak concentrations of three different compounds were in the same order of magnitude in a sparsely and a densely vegetated stream mesocosm, respectively, but higher compared to an unvegetated stream mesocosm. The mitigation of the peak reduction in the sparsely vegetated stream mesocosm was found to be fostered by longitudinal dispersion as a result of the spatial distribution of the macrophytes in the aqueous phase. The peak reduction attributable to longitudinal dispersion was, however, reduced in the densely vegetated stream mesocosm, which was compensated by compound-specific but time-limited and reversible sorption to macrophytes. The observations on the reversibility of sorption processes were subsequently confirmed by laboratory experiments. The experiments revealed that sorption to macrophytes lead to compound specific elimination from the aqueous phase during the presence of transient contaminant peaks in streams. After all, these sorption processes were found to be fully reversible, which results in the release of the primarily adsorbed compounds, once the concentrations in the aqueous phase starts to decrease. Nevertheless, the results of the present thesis demonstrate that the processes governing the mitigation of contaminant loads in streams are fundamentally different to those already described for non-flowing systems. In addition, the present thesis provides knowledge on how the interaction of macrophyte-induced processes in streams contributes to mitigate loads of organic contaminants and the related risk for aquatic environments.
Flowering habitats to enhance biodiversity and pest control services in agricultural landscapes
(2015)
Die wachsende Nachfrage nach landwirtschaftlichen Produkten benötigt Bewirtschaftungslösungen, die die Lebensmittelproduktion unter minimaler Beeinträchtigung der Umwelt steigern. Durch den übermässigen Einsatz künstlicher Hilfsstoffe und die Landschaftsvereinfachung gefährdet die konventionelle landwirtschaftliche Intensivierung die Biodiversität und die damit verknüpften Ökosystemleistungen im landwirtschaftlichen Raum.
Agrarumweltmassnahmen (AES) werden häufig eingesetzt, um die negativen Auswirkungen konventioneller Intensivierung auf die Biodiversität zu mildern. Ihr bisher nur moderater Erfolg könnte jedoch von expliziteren Zielen bezüglich Ökosystemleistungen profitieren. Das Bereitstellen von Schlüsselressourcen für Nützlinge dürfte deren Häufigkeit, Fitness und Diversität, sowie die durch sie bereitgestellten Ökosystemleistungen begünstigen. Durch gezieltes Lebensraummanagement könnten AES sowohl die Biodiversität als auch die landwirtschaftliche Produktion fördern und so zu einer ökologischen Intensivierung beitragen.
Wir zeigen, dass gesäte mehrjährige Wildblumenstreifen, wie sie gegenwärtig in AES mit Fokus auf Biodiversitätsförderung umgesetzt werden, auch die biologische Kontrolle in benachbarten Kulturen fördern (Kapitel 2). Der Vergleich von Winterweizenfeldern mit angrenzendem Wildblumenstreifen, mit Feldern ohne Wildblumenstreifen, zeigte stark reduzierte Getreidehähnchendichten (Oulema sp.) und Pflanzenschaden nahe Wildblumenstreifen, sowie ein um 10 % gesteigerter Ertrag. Dies bestätigt Annahmen, wonach, für ihre positiven Auswirkungen auf die Biodiversität bekannte Wildblumenstreifen, auch Ökosystemleistung-en, wie biologische Schädlingskontrolle fördern können. Die positive Korrelation des Ertrags mit Blütenabundanz und –diversität weist auf Blütenressourcen als Schlüsselfaktor hin.
Um gesäte Blühstreifen für die verstärkte Bereitstellung von Ökosystemleistungen zu verbessern, benötigt es ein mechanistisches Verständnis davon, wie Organismen von Blütenressourcen profitieren. In Klimakabinenversuchen, die den Einfluss von einzelnen und mehreren blühenden Pflanzenarten auf Fitnesskomponenten von drei grundlegenden natürlichen Feind-Arthropoden von Blattläusen untersuchten, zeigen wir, dass natürliche Feinde unterschiedlich von den angebotenen Ressourcen profitieren (Kapitel 3).
Einige Blühpflanzenarten waren dabei im Allgemeinen wertvoller für natürliche Feinde als andere. Die Mischung aller Blütenpflanzen war zudem generell besser als Monokulturen, jedoch nicht besser als die jeweils beste Art in der Mischung (kein „transgressive overyielding“). Durch gezieltes Massschneidern von Blühstreifen auf die Bedürfnisse von wichtigen natürlichen Feinden von Kulturschädlingen, versuchten wir, die durch natürliche Feinde vermittelte biologische Schädlingskontrolle in Winterweizen (Kapitel 4) und Kartoffelkulturen (Kapitel 5) zu maximieren.
Unter Berücksichtigung der vielseitigen Ansprüchen von diversen natürlichen Feinden - aber nicht Schädlingen - bezüglich zeitlicher und räumlicher Bereitstellung von floralen, extrafloralen und strukturellen Ressourcen, konzipierten wir einjährige Nützlingsblühstreifen, die durch Einbau in die Kulturfolge wichtige Arthropoden an Ort und Zeit unterstützen, an denen sie benötigt werden. Tatsächlich zeigten Feldexperimente, dass Getreidehähnchen und Pflanzenschaden in Winterweizen um 40 % bis 61 % gesenkt werden können und Blattläuse in Kartoffelkulturen sogar um 77 %, wenn ein Nützlingsblühstreifen ins Feld gesät wurde. Diese Effekte waren nicht auf die Nähe zum Blühstreifen beschränkt und verhinderten oft, dass im Vergleich zu Feldern ohne Blühstreifen die Schadschwelle erreicht wurde. Dies zeigt, dass Nützlingsblühstreifen Insektizide ersetzen könnten. Alle adulten natürlichen Feinde waren innerhalb der Nützlingsblühstreifen zahlreicher als innerhalb von Kontrollstreifen. Der Überlauf (spillover) von Nützlingen ins Feld war jedoch auf wichtige natürliche Feinde, wie Laufkäfer (Winterweizen), Schwebfliegen (Kartoffeln) und Florfliegen (Win-terweizen und Kartoffeln) beschränkt, was deren dominante Rolle für die biologische Schäd-lingskontrolle nahelegt. In Kartoffeln erhöhten Nützlingsblühstreifen auch die Artenzahl Schwebfliegen in Streifen und Feld, was einen zusätzlichen Nutzen für die Diversität heraushebt.
Die vorliegenden Resultate liefern Einblicke in die Mechanismen, die der biologischen Schädlingskontrolle durch Nützlingsförderung (conservation biological control) unterliegen und heben das Potential von massgeschneidertem Lebensraum-Management für eine ökologische Intensivierung hervor.
Change of ecosystems and the associated loss of biodiversity is among the most important environmental issues. Climate change, pollution, and impoundments are considered as major drivers of biodiversity loss. Organism traits are an appealing tool for the assessment of these three stressors, due to their ability to provide mechanistic links between organism responses and stressors, and consistency over wide geographical areas.
Additionally, traits such as feeding habits influence organismal performance and ecosystem processes. Although the response of traits of specific taxonomic groups to stressors is known, little is known about the response of traits of different taxonomic groups to stressors. Additionally, little is known about the effects of small impoundments on stream ecosystem processes, such as leaf litter decomposition, and food webs.
After briefly introducing the theoretical background and objectives of the studies, this thesis begins by synthesizing the responses of traits of different taxonomic groups to climate change and pollution. Based on 558 peer-reviewed studies, the uniformity (i.e., convergence) in trait response across taxonomic groups was evaluated through meta-analysis (Chapter 2). Convergence was primarily limited to traits related to tolerance.
In Chapter 3, the hypothesis that small impoundments would modify leaf litter decomposition rates at the sites located within the vicinity of impoundments, by altering habitat variables and invertebrate functional feeding groups (FFGs) (i.e., shredders), was tested. Leaf litter decomposition rates were significantly reduced at the study sites located immediately upstream (IU) of impoundments, and were significantly related to the abundance of invertebrate shredders.
In Chapter 4, the invertebrate FFGs were used to evaluate the effect of small impoundments on stream ecosystem attributes. The results showed that heterotrophic production was significantly reduced at the sites IU. With regard to food webs, the contribution of methane gas derived carbon to the biomass of chironomid larvae was evaluated through correlation of stable carbon isotope values of chironomid larvae and methane gas concentrations.
The results indicated that the contribution of methane gas derived carbon into stream benthic food web is low. In conclusion, traits are a useful tool in detecting ecological responses to stressors across taxonomic groups, and the effects of small impoundments on stream ecological integrity and food web are limited.
Seit Jahrzehnten wird weltweit eine zunehmende Bedrohung der biologischen Vielfalt durch anthropogene Einflüsse beobachtet. Landschaften sind durch unterschiedliche Arten von anthro-pogenen Störungen geprägt. So vereinheitlichen großflächiger Ackerbau, die Pestizidanwen¬dung und das Entfernen von Korridoren eine Landschaft, wohingegen der Straßenbau sie fragmentiert. Beides führt zu einer Einschränkung von Habitaten und reduziert sowohl den Lebensraum als auch den Genpool der Arten, verhindert den Genfluss und verändert die funktionellen Eigenschaften. Zudem können gebietsfremde Arten in der veränderten Umwelt schneller Fuß fassen. Auf der anderen Seite machen in verschiedenen zeitlichen und räumlichen Dimensionen vorkommenden Störungen eine Landschaft auch vielfältiger, da sie Nischen kreieren, in denen verschiedene Arten koexistieren können.
Diese Studie befasst sich mit der Komplexität von Störungsregimes und dessen Auswirkungen auf die Phytodiversität. Durch die Aufnahme aller erkennbaren Störungstypen unterscheidet sie sich deutlich von anderen Studien, die sich meist nur auf einzelne Störungen konzentrieren. Die Daten stammen von drei Untersuchungsgebieten im Norden Bayerns, die unterschiedlichen Landnutzungsintensitäten unterliegen: Einer intensiven Land- und Forstwirtschaft, einer kleinräumigen und weniger intensiven Land- und Forstwirtschaft und einem aktiven Truppenübungsplatzes. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Auswirkung von Störungsregimen auf die Phytodiversität, zuerst mit Fokus auf militärische Störungen, dann im Vergleich mit den Agrarlandschaften. Der zweite Teil beleuchtet den Einfluss auf Rote-Liste Arten, auf die Verbreitung von Neophyten und Generalisten sowie auf die Homogenisierung der Landschaften. Die Analysen berücksichtigen sowohl die Landschafts- als auch die lokale Ebene.
Nicht einzelne Störungstypen spielten eine entscheidende Rolle, sondern deren Vielfalt, sowohl in der Art als auch in der räumlichen und zeitlichen Vielfalt, was sich besonders auf dem Truppenübungs¬platz mit seinem multiplen aber ungerichteten Störungsregime zeigte. Die in landwirtschaftlichen Gebieten typischen homogenen Störungsregimes, wie Pflügen, Einsäen und Düngen, führten zu reduzierten Artenzahlen. Auf lokaler Ebene überlagerte die Heterogenität der abiotischen Faktoren, deren Ursprung in rezenten und historischen Störungen liegt, die positiven Effekte der Störungen, während vor allem trockene und nährstoffarme Standorte negativen Einfluss zeigten. Wälder des Truppenübungsplatzes zeigten sich durch ihre geringere Dichte und moderate Nutzung deutlich artenreicher im Vergleich zu den landwirtschaftlichen Untersuchungsgebieten.
Die Anzahl der Rote-Liste Arten war in allen drei Untersuchungsgebieten positiv mit der Gesamtzahl der Arten korreliert, jedoch zeigte der Truppenübungsplatz eine signifikant höhere Abundanz der Arten innerhalb des gesamten Gebietes im Vergleich zu den landwirtschaftlichen Gebieten, wo seltene Arten überwiegend auf Randstandorten zu finden waren. Ebenso fanden sich dort weniger Neophyten und Generalisten und somit eine geringere Homogenisierung. Somit zeigte sich der Truppenübungsplatz als Idealgebiet aus Naturschutzsicht. Die moderat bewirtschaftete Frankenalb vereint eine hohen Artenzahl und eine Produktivität, trotzdem wird diese Art von Landschaft in der heutigen industrialisierten Zeit nicht von Bestand sein, da der Ertrag zu gering ist.
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
Das Grundwasser unterliegt zahlreichen Nutzungen, gleichzeitig ist es Lebensraum einer artenreichen, hoch angepaßten Fauna. Verunreinigungen des Grundwassers mit Kontaminationen unterschiedlichsten Ursprungs stellen eine wachsende Problematik dar. Für das Monitoring von Altlastflächen werden bisher überwiegend physiko-chemische Methoden eingesetzt. Als weitere Möglichkeit bietet sich ein grundwasserfaunistisch begründetes Monitoring an. Da Freilanduntersuchungen über das Auftreten und die Verteilung von Grundwasserfauna in Altlastflächen bisher fehlen, widmet sich die vorliegende Dissertation dieser Thematik. Ein grundsätzliches Problem grundwasserfaunistischer Untersuchungen ist das Fehlen standardisierter Sammelmethoden. Daher erwies es sich als notwendig, die für die Untersuchung der Altlastflächen optimale Sammelmethode zu identifizieren. Insoweit liefert ein vorangehender Methodenvergleich die Grundlage für das Altlasten-Projekt. Ziel des Methodenvergleichs war es herauszufinden, ob die in Kluftgrundwasserleitern im Vergleich mit Lockergesteinsleitern festgestellte Artenarmut und die meist niedrigen Abundanzen habitat- oder auch methodenbedingt sind. Unter Verwendung eines phreatobiologischen Netzsammlers, einer pneumatischen Kolbenhubpumpe (System NIEDERREITER) und eines Quellnetzes wurden im Naturraum Pfälzerwald 16 Grundwasser-meßstellen (je 8 in den Kluftaquiferen des Buntsandsteins und den sandig-kiesigen Aquiferen der Talauen) und 8 Quellen, sowie 4 Grundwassermeßstellen in der pfälzischen Rheinebene hydrochemisch und faunistisch beprobt. Die Grundwässer beider Naturräume unterschieden sich sowohl hydrochemisch wie auch in ihrer faunistischen Zusammensetzung signifikant voneinander. Aus methodischer Sicht zeigten alle Sammeltechniken, mit Ausnahme der Quellbeprobung, trotz gewisser Unterschiede, qualitativ vergleichbare Ergebnisse. Ziel des Hauptteils der Arbeit " dem Altlasten-Projekt " war die Gewinnung erster empirischer Daten über das Vorkommen und die Verteilung von Grundwasserfauna in Abhängigkeit von Altlasten. Des weiteren sollten über die Korrelation der Grundwasserfauna mit hydrochemischen Parametern und den Koloniezahlen erste Ansätze für eine bioindikative Eignung gefunden werden. Basierend auf den Ergebnissen des methodischen Teils wurden unter Verwendung des phreatobiologischen Netzsammlers fünf in der pfälzischen Rheinebene liegende Untersuchungsstandorte (sechs Einzelschäden), die Kontaminationen unterschiedlicher Art aufwiesen, untersucht. Dabei handelte es sich um drei militärische und zwei industrielle Altlasten sowie eine Hausmülldeponie. Insgesamt wurden 91 Meßstellen, die sich im Zustrom, direkt im Schaden sowie im Abstrom befanden, zweimalig beprobt. Trotz der ausgeprägten Heterogenität der untersuchten Altlaststandorte sowie geringer Arten- und Taxazahlen und Abundanzen weisen die Verteilungsmuster auf Sensitivitäten der Fauna gegenüber Grundwasserverunreinigungen hin. In bezug auf einzelne Schadstoffe (LCKW, PCE, AKW) deuten sich schadstoffspezifische Verteilungsmuster der Fauna an. Das abundanteste Taxon der Untersuchung - die Nematoda - traten an den LCKW / PCE- kontaminierten Standorten nur in geringsten Abundanzen auf, ebenso wie die Parastenocaridae (Crustacea). Oligochaeta und einzelne Cyclopoida-Arten (Crustacea) scheinen hingegen deutlich höhere Konzentrationen dieses Schadstoffs zu tolerieren. Eine gegensätzliche Faunenverteilung wurde an den AKW- kontaminierten Standorten beobachtet. Hier zeigten sich die Nematoda wesentlich toleranter als alle anderen Taxa, ebenso wie die Parastenocaridae. Hingegen traten die Oligochaeta und Cyclopoida oberhalb geringer Konzentrationen nur noch sporadisch auf. Die abundanteste Cyclopoida-Art der gesamten Untersuchung, Diacyclops languidoides, konnte in Anwesenheit von AKW nicht nachgewiesen werden.