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Vid Švara

• Chemical pollution is one of the main contributors to the degradation of lotic ecosystems and their biodiversity. Among chemicals driving lotic biodiversity decline are anthropogenic organic micropollutants (AOM), which affect the survival and functioning of freshwater organisms. Continuous exposure of freshwater organisms to AOM leads to adverse effects that sometimes cannot be traced with standard toxicity methods such as standard toxicity testing or biodiversity indices. Among these effects of AOM are selective or mutagenic effects that cause impaired species genetic diversity. Thus, the correlation between different levels of AOM and genetic diversity of species is still poorly understood. However, it can be explored by applying population genetics screening. In Chapter 1 of this thesis, background information on environmental pollution, genetic screening, and the detection of evolutionary-relevant AOM effects in freshwater organisms are described and the thesis goals are identified. The main goal of the thesis is to study whether AOM exposure occurring in European rivers causes a significant evolutionary footprint in freshwater species and leads to a selection of more tolerant geno-and phenotypes. Therefore, population genetics indices together with high-resolution chemical exposure screening of a widespread indicator invertebrate species, Gammarus pulex (Linnaeus, 1758), living in polluted and pristine European rivers were investigated. In Chapter 2, the development of a genetic screening method for G. pulex (microsatellites) is described. Due to genetic differentiation and the presence of morphologically cryptic lineages, the available sets of target loci do not enable a reliable population genetic characterization of G. pulex from central Germany. Thus, a novel set of microsatellite loci for a high-precision assessment of population genetic diversity was here applied. Eleven loci were first identified and thereafter amplified in G. pulex from three rivers. The new loci reliably amplified and indicated polymorphisms in the studied amphipods. The amplification resulted in the successful identification of genetically distinct populations of G. pulex from the analyzed rivers. Moreover, the microsatellite loci were amplified in other genetic lineages of G. pulex and another Gammarus species, G. fossarum, promising a broader applicability of the loci in related amphipod species. In Chapter 3, the effects of AOM on species genetic differentiation and sensitivity to toxic chemicals in a typical central European river with pristine and AOM-polluted sections was investigated. The river’s site-specific concentrations of AOM were assessed by chemical analysis of G. pulex tissue and water samples. To test, whether different levels of AOM in the river select for pollution-dependent genotypes, the genetic structure of G. pulex from the river was analyzed. Finally, the toxicokinetics of and sensitivity to the commonly used insecticide imidacloprid were determined for amphipods sampled at pristine and polluted sections to assess whether various levels of AOM in the river influence sensitivity of G. pulex to imidacloprid. The results indicated that different levels of AOM did not drive genetic divergence of G. pulex within the river but led to an increased sensitivity of exposed amphipods to imidacloprid. The amphipods living in polluted river sections were more sensitive to the insecticide due to chronic exposure to toxic levels of AOM. In Chapter 4, the relationship between site-specific pollution levels of AOM and genetic diversity parameters of G. pulex was analyzed at the regional scale within six rivers in central Germany. The genetic structure of G. pulex in the studied area was tested for relatedness to the waterway distance between sites. Gammarus pulex genetic diversity parameters, including allelic richness and inbreeding rate, were tested against environmental pollution parameters using linear mixed-effect- and structural-equation models. According to the results, G. pulex genetic diversity parameters were significantly associated with the detected AOM levels. At sites with high concentrations of AOM and toxicity potential G. pulex showed reduced genetic diversity and increased rates of inbreeding. These results suggest that AOM play a major role in shaping the genetic diversity of G. pulex in rivers. According to the findings presented here, the applied microsatellites can be used to successfully detect changes in genetic patterns in freshwater amphipods facing increased levels of AOM. The findings indicate that levels of AOM representative for European rivers do not lead to the separation of genotypes among G. pulex as the connectivity between sites majorly contributes to species’ genetic structure. However, the chronic exposure to increased levels of toxic AOM leads to a reduction of species genetic diversity and increases the sensitivity of G. pulex to the toxic chemical effects.
• Untersuchungen zur Populationsgenetik des Flohkrebses Gammarus pulex (Linnaeus, 1758) aus mit anthropogenen organischen Mikroschadstoffen belasteten Flüssen Die Lebensräume vieler Organismen sind stark durch die Aktivitäten des Menschen beeinflusst. Zu den Ökosystemen, die in besonderem Maße von diesen Aktivitäten betroffen sind, gehören Süßwasserökosysteme wie Flüsse und Bäche. Diese Ökosysteme sind stark von der Belastung mit anthropogenen Schadstoffen geprägt. Eine Gruppe von Umweltschadstoffen, die schädliche Auswirkungen auf Wasserorganismen haben, sind die sogenannten anthropogenen organischen Mikroschadstoffe (AOM). AOM umfassen Chemikalien wie Pestizide, Pharmazeutika, Industrie- und Haushaltchemikalien, die in Konzentrationen von Nano- bis Mikrogramm pro Liter Flusswasser in der Umwelt auftreten. AOM können bereits in solch niedrigen Konzentrationen schädliche Effekte auf Organismen und Ökosystemen bewirken. Toxische Effekte von AOM können spezifisch sein. So können z.B. bestimmte Wirkweisen auf der Bindung der Chemikalien an bestimmte zelluläre Rezeptoren beruhen; durch diese speziellen Wirkweisen können dann ausschließlich bestimmte Taxa betroffen sein. Außerdem können AOM auch unspezifisch, z.B. narkotisch, wirken. Bisher wenig untersucht wurde die Auswirkung von AOM auf die genetische Vielfalt von Wasserorganismen. Diese könnte über unterschiedliche Mechanismen beeinflusst werden. So könnten mutagene AOM im Wasser zur Entstehung von neuen Genvarianten in einer Population von Wasserorganismen führen, was die genetische Vielfalt einer exponierten Population erhöhen würde. Außerdem kann durch toxische AOM ein Selektionsdruck auf Populationen ausgeübt werden, so dass Individuen mit entsprechenden genetischen Anpassungen gegenüber weniger resistenten Individuen im Vorteil sind. Dies würde zu einem erhöhten Anteil an Individuen führen, die besser an eine Exposition gegen Giftstoffe angepasst sind und in Folge zu einer geringeren genetischen Vielfalt der entsprechenden Population. Mit populationsgenetischen Analysen lassen sich solche Veränderungen untersuchen. Die Wirkung von AOM auf die genetische Vielfalt von natürlichen Populationen in mit AOM belasteten Süßgewässern wurde bisher an verschiedenen Arten untersucht. Der Rückgang der genetischen Vielfalt durch erhöhte AOM-Belastung des Wassers wurde für die Modellart Daphnia magna Straus, 1820 gezeigt. Die Inzuchtrate war erhöht, was auf eine Verkleinerung des Genpools durch die Selektion resistenter Individuen hindeutete. Trotz Studien, die sich mit dem Thema der genetischen Vielfalt in Süßwasser- Makroinvertebraten beschäftigt haben, bleibt die Frage, wie AOM auf das genetische Muster einer Art entlang eines Belastungsgradienten in einem Fluss wirkt, offen. Es ist noch nicht bekannt, ob toxische AOM die genetische Vielfalt von exponierten Wasserorganism en reduzieren, zur Selektion spezifischer Genotypen führen und zur Entstehung an die Wirkung der AOM angepassten Populationen beitragen. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Dissertation die genetische Vielfalt der weitverbreiteten Indikator-Flohkrebsart Gammarus pulex (Linnaeus, 1758) von unterschiedlich mit AOM belasteten Standorten an Fließgewässern im mitteldeutschen Raum untersucht. In Kapitel 1 der Dissertation werden Hintergrund und offene Fragen des Themas vorgestellt. Kapitel 2 geht auf die hier angewandte Methode zur Bestimmung der genetischen Diversität und Struktur von G. pulex ein und beschreibt die Entwicklung neuer Marker. Die Methode wurde in den Kapiteln 3 und 4 angewandt, um die genetische Vielfalt von G. pulex in den analysierten Flüssen zu bestimmen. In Kapitel 3 wurde analysiert, inwieweit die genetische Struktur der Art in einem typischen mitteleuropäischen Fluss durch AOM verändert wird und ob solche Veränderungen sich in der Empfindlichkeit der Flohkrebse gegen AOM widerspiegeln. In Kapitel 4 wurde der Zusammenhang der genetischen Vielfalt von G. pulex mit dem Grad der Belastung eines Gewässers mit AOM auf regionaler Skala analysiert. Schließlich wird in Kapitel 5 auf die wichtigsten Schlussfolgerungen dieser Dissertation eingegangen. Die in dieser Arbeit verwendeten genetischen Marker für die Bestimmung der genetischen Vielfalt von G. pulex waren sogennante Mikrosatelliten, die DNA Abschnitte, die tandemartig wiederholt und normalerweise nicht-kodierend sind. Die Anzahl der Wiederholungen und damit die Länge der Mikrosatelilten variiert stark zwischen Individuen und Populationen. Durch Veränderungen der Längen von Mikrosatelliten-Loci spiegeln sich die evolutionären Effekte von Mutationen, Selektion, Inzucht oder genetischen Flaschenhalsereignissen in einer Population wider. Für G. pulex wurden bereits in früheren Arbeiten Mikrosatelliten entworfen. Es gibt aber genetisch deutlich unterschiedliche G. pulex-Linien, deshalb werden die vorhandenen Mikrosatelliten nicht in allen Linien problemlos amplifiziert...