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Invasive non-native species are key components of human-induced global environmen-tal change and lead to a loss of biodiversity, alterations of species interactions and changes of ecosystem services. Freshwater ecosystems in particular are strongly affect-ed by biological invasions, since they are spatially restricted environments and often already heavily impacted by anthropogenic activities. Recent human-induced species invasions are often characterized by long-distance dispersal, with many species having extended their native distribution range within a very short time frame. However, a long term view into the past shows that biological invasions are common phenomena in nature—representing the arrival of a species into a location in which it did not originally evolve—as a result of climatic changes, geotectonic activity or other natural events. Once a species arrives in a new habitat, it may experience an array of novel selection pressures resulting from abiotic and biotic environmental factors and simultaneously act as a novel selective agent on the native fauna. Consequences of species invasions are manifold. My thesis, which combines seven studies on different aspects of biological invasions, aims to explore the influence of abiotic stressors and biotic interactions during species introductions and range expansions, as well as the consequences of biological invasions on evolutionary and ecosystem processes.
The first part of my thesis examines human-induced biological invasions, dealing with basic ecological characteristics of invaded ecosystems, novel predator-prey interactions, functional consequences of species invasions and certain behavioral traits that may contribute to the invasiveness of some species. The second part of my thesis examined distribution patterns and phenotypic trait divergence in species that historically invaded new geographical areas. I investigated variation of abiotic and biotic selection factors along a stream gradient as well as ecological and evolutionary consequences of species invasions to extreme habitats. The results highlight the importance of simultaneously considering processes involved in natural invasions and during human-induced invasions to understand the success of invading species.
We often lack detailed information on the impacts of historical biological inva-sions. Also, we are currently lacking crucial knowledge about the time scales during which different mechanisms (behavioral flexibility, plastic phenotypic changes, and ge-netic adaptation) play a role during biological invasions and affect species exchange and establishment. Comparative analyses of historical, natural invasion and recent (man-made) invasions can provide insights into the relative importance of the processes governing adaptation to abiotic stressors and selection resulting from biotic interactions. Beyond their negative effects, the establishment of invasive species and the subsequent range expansion represent “natural experiments” to investigate fundamental questions in ecology and evolution. My comparison of natural and human-induced biological invasions revealed that in many cases preadaptation to altered abiotic conditions plays a key role during early stages of invasions and range expansions. Considering the evolutionary history of invasive species and the evolutionary history of the recipient native fauna might therefore help predict the consequences of biological invasions for the ecosystem under consideration and the future success of the invading species. This knowledge can also be implemented when formulating conservation strategies, including methods to mitigate and manage human-induced biological invasions.
Plastics contain a complex mixture of chemicals including polymers, additives, starting substances and side-products of processing. These plastic chemicals are prone to leach into the packaged goods, in the case of food contact materials (FCMs), or into the natural environment, in the case of plastic debris. Thus, plastics represent an exposure source of chemicals for humans and wildlife alike. While it is widely known that individual plastic chemicals, such as bisphenol A and phthalates, are hazardous, little is known on the overall chemical composition and toxicity of plastics. When fragmented into smaller particles, referred to as microplastics (< 5 mm), the plastic itself can be ingested by many species. It is well established that microplastic ingestion can have negative consequences for a wide range of organisms including invertebrates, but the contribution of plastic chemicals to the toxicity of microplastics is unclear.
Given the above, the present thesis aimed at a comprehensive toxicological, ecotoxicological and chemical characterization of everyday plastics. For a comparative evaluation, 77 plastic products were selected covering 16 material types (e.g., polyethylene) made from petroleum or renewable feedstocks. These products included biodegradable products, FCMs and non-FCMs, as well as raw materials and final products, respectively. In the first two studies, the chemical mixtures contained in the 77 products were extracted with methanol and extracts were analyzed in a set of four in vitro bioassays and by non-target high-resolution gas or liquid chromatography mass spectrometry. Since an exposure only occurs if chemicals actually leach under realistic conditions, in a third study migration experiments with water were conducted for 24 out of the 77 products. The aqueous migrates were assessed in the same way as the methanolic extracts. In addition, the freshwater invertebrate Daphnia magna was exposed chronically to microplastics made of polyvinylchloride (PVC), polyurethane (PUR) and polylactic acid (PLA) to investigate the contribution of chemicals in microplastic toxicity, in a fourth study.
The experimental findings demonstrate that a wide variety of chemicals is present in plastics. A single plastic product can contain up to several thousand chemical features, most of which unique to that product and at the same time unknown. The results also indicate that the majority of these chemical mixtures are toxic in vitro. Accordingly, 65% of the plastic extracts induced baseline toxicity and 42% an oxidative stress response, while 25% had an antiandrogenic and 6% an estrogenic activity. This implies that chemicals causing unspecific toxicity are more prevalent in plastics than such with endocrine effects. These chemicals can also leach from plastics under realistic conditions. Between 17 and 8936 chemical features were detected in a single migrate sample and all 24 tested migrates induced in vitro toxicity. This means that humans and wildlife can actually be exposed to toxic plastic chemicals under realistic conditions. Generally, each product has its individual toxicological and chemical fingerprint. Thus, neither material type, feedstock, biodegradability nor the food contact suitability of a product can serve as a predictor for the toxicity, the chemical composition or complexity of a product. Likewise, this means that bio-based and biodegradable materials are not superior to their petroleum-based counterparts from a toxicological perspective despite being promoted as sustainable alternatives to conventional plastics.
Moreover, the present thesis demonstrates that plastic chemicals can be the main driver for microplastic toxicity. Irregular microplastics made of PVC, PUR and PLA adversely affected life-history traits of D. magna in a polymer type- and endpoint-dependent manner at concentrations between 100 and 500 mg L-1 and with a higher efficiency than natural kaolin particles. While the toxicity of PVC was triggered by the chemicals used in the material, the effects of PUR and PLA were induced by the physical properties of the particle.
In addition, in the fifth study, results and observations made during this thesis were integrated inter- and transdisciplinarily with the perspectives of a social scientist and a product manufacturer. This elucidated that knowledge on plastic ingredients is often concealed, is lacking or not applicable in practice. These intransparencies hinder the safety evaluation of plastic products as well as the choice and sale of the least toxic packaging material.
Overall, the present thesis highlights that the chemical safety of plastics and their bio-based and biodegradable alternatives is currently not ensured. Thus, chemicals require more consideration in the toxicity and risk assessment of plastics and microplastics. Product-specific and complex chemical compositions, including unknown compounds, pose a challenge here. Two essential steps towards non-toxic products are to increase transparency along the product life cycle and to reduce the chemical complexity of plastics by communication and regulation. The results of the present thesis indicate that products exist which do not contain toxic chemicals. These can serve to direct the design of safer plastics. Since toxicity and chemical complexity seem to increase with processing, the integration of toxicity testing during the production steps would further support the safe and sustainable production and use of plastic products.
Background. There is growing public and scientific concern about the occurrence of anthropogenic chemicals in the aquatic environment. Surface and groundwater serve as main drinking water resource. Especially in metropolitan areas these water reservoirs are impacted by organic pollutants predominantly originating from wastewater treatment plant (WWTP) effluents. The impact of wastewater derived anthropogenic chemicals is therefore related to environmental and human health concerns. In order to lower the potential environmental and human health risk from wastewater associated pollutants, strategies for enhanced pollutant removal are applicable in a medium-term perspective. Ozonation and powdered activated carbon treatment are the two advanced wastewater treatment technologies, which are technically mature as well as economically feasible for the application in large-scale wastewater treatment plants. While powdered activated carbon removes substances by adsorption, ozonation degrades a parent compound into oxidation products. Most of the available research has been done at lab-scale while onsite ecotoxicity tests and chemical analyses are rare.
Objectives. For a comparative evaluation of advanced wastewater treatments' potential to alter toxicity, a broad spectrum of ecotoxicological data need to be collected. The focus has been set on three major objectives: A) Evaluation of the endocrine activity; B) Evaluation of the unspecific toxicity; C) Evaluation of genotoxicity and mutagenicity.
Methods. The advanced treatment methods, ozonation and powdered activated carbon treatment of secondary wastewater effluents, – each equipped with subsequent sand filtration as additional post treatment step – were ecotoxico-logically characterized at a pilot-scale WWTP. For process control the elimination of 35 selected pharmaceuticals was identified by chemical analyses using HPLC-MS/MS.
The endocrine activity ((anti-)estrogenic, (anti-)androgenic, dioxin-like activity)) was characterized by yeast-based in vitro bioassays and cytotoxicity by cell based assays. Genotoxicity and mutagenicity was assessed using umuC'assay and Ames assay, respectively. All in vitro assays were performed using extracts of the wastewater samples. In vivo toxicity was assessed with the fish early life stage test with rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Ozonation was additionally assessed at a full-scale WWTP with in-vitro tests on endocrine activity and cytotoxicity and in vivo toxicity tests using five aquatic model organisms: Lemna minor, Daphnia magna, Chironomus riparius, Lumbriculus variegatus, Potamopyrgus antipodarum.
Results. In conventional activated sludge treated effluents the residual estrogenicity, antiandrogenicity, aryl hydrocarbon receptor agonistic activity and cytotoxicity were considerably reduced while antiestrogenicity was increased by both advanced treatment technologies. Ozonation led to an increase in genotoxic effects detected with Ames assay and with single cell gel electrophoresis of rainbow trout erythrocytes. Furthermore, mortality of rainbow trout was increased and reproduction of L. variegatus was decreased. Sand filtration lessened the genotoxic effects and adjusted reproduction of L. variegatus and mortality of rainbow trout to a similar level as conventional treatment.
Conclusions. This work demonstrates that conventional activated sludge treatment induces in vitro and in vivo toxicity. Advanced wastewater treatment combined with subsequent sand filtration can reduce in vitro and in vivo toxicity. An observed increase of endocrine activity after advanced wastewater treatment is an indication for different removal efficiencies of chemicals causing agonistic or antagonistic activity, respectively. Ozonation of wastewater generates ecotoxicity, which is largely removed by subsequent sand filtration. After a comprehensive investigation and after assurance of the removal of adverse effects, advanced treatment technologies could have beneficial effects on the ecological quality of the receiving water.
Seit mehr als 200 Jahren gibt es durch die Wissenschaftler der Wetterstation auf dem Hohenpeißenberg systematische Wetterbeobachtungen, doch erst seit wenigen Jahren gibt es unter den Klimaforschern einen Konsens, dass sich das Klima durch anthropogene Einflüsse schon verändert hat – und weiter verändern wird. Die bisherigen Auswirkungen, wie zum Beispiel ein globaler Temperaturanstieg von 0,85°C seit Beginn der Industrialisierung, sind heute gut belegbar. Mögliche zukünftige Entwicklungen des Klimas werden heute ebenso erforscht wie die Auswirkungen des Klimawandels auf Mensch und Umwelt. Zu diesen Auswirkungen gehören unter anderem Folgen für die Landwirtschaft. Durch veränderte Niederschläge und den Temperaturanstieg werden sich die Lebensbedingungen von Bodenorganismen und Anbaubedingungen für Pflanzen ändern. Letztendlich ist aufgrund dieser Veränderungen auch ein verstärkter Einsatz von Pestiziden zu erwarten. Allerdings wurde bisher kaum untersucht, ob der Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft unter den Bedingungen des Klimawandels (konkret durch die Interaktion von klimatischen und chemischen Faktoren) ein erhöhtes Umweltrisiko für Bodenorganismen darstellt. Bisher werden klimatische Faktoren bei den Tests für die Zulassung von Pestiziden nicht berücksichtigt.
Daher wurde diese Fragestellung in der hier vorliegenden Dissertation am Beispiel der Effekte von zwei zugelassenen Pestiziden auf Bodenorganismen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen untersucht. Konkret wurden dazu mit Labor- und Halbfreilandversuchen die Wirkung eines Insektizids und eines Fungizids in Interaktion von Temperatur und Bodenfeuchte auf Vertreter zweier Invertebratengruppen (Collembola: zwei Arten; Enchytraeidae: eine Art) untersucht.
In einem modifizierten Standardtest mit Collembolen erhöhte sich die Toxizität des Insektizids Lambda-Cyhalothrin, wenn die Exposition der beiden Arten bei einer erhöhten Bodenfeuchte stattfindet. Die kühl adaptierte Art Folsomia candida reagierte bei erhöhter Testtemperatur am empfindlichsten auf diese Testsubstanz: Die EC50 aus diesem Experiment lag bei 2,84 mg (a.s.)/kg Boden Trockengewicht (dw). Unter Standardbedingungen, wie sie in Tests für die Zulassung von Pestiziden angewandt werden, lag die EC50 von F. candida dagegen bei 8,65 mg a.s./kg dw.
Unter den gleichen Versuchsbedingungen wurde auch das Fungizid Pyrimethanil an Collembolen getestet. Hier erwies sich die Testsubstanz für beide Arten bei
gleichzeitigem Trockenstress und / oder erhöhter Temperatur als toxischer im Vergleich zu den Standard-Testbedingungen. Dabei zeigte F. candida mit einer EC50 von 28,3 mg a.s./kg dw die höchste Empfindlichkeit. Ohne die veränderten klimatischen Faktoren, betrug die EC50 von F. candida 52,3 mg a.s./kg dw.
In Reproduktionstests mit der Enchytraeen-Art Enchytraeus bigeminus wurde die Bodenfeuchte als klimatischer Faktor in Kombination mit jeweils einer Testsubstanz untersucht. Bei beiden Chemikalien reagierte E. bigeminus in trockenem Boden empfindlicher. Die ermittelten EC50 betrugen 1,34 mg a.s./kg dw für Lambda-Cyhalothrin und 437 mg a.s./kg dw für Pyrimethanil. Getestet unter Standardbedingungen lagen die EC50-Werte bei 3,79 bzw. 499 mg a.s./kg dw.
Neben den Laborexperimenten wurden Tests in „Terrestrischen Modellökosystemen“ (TME) mit den gleichen Chemikalien in Kombination mit variierender Bodenfeuchte als klimatischer Faktor vorgenommen. Diese Experimente wurden in Deutschland und in Portugal durchgeführt, um die Reaktion einer zentraleuropäischen und einer mediterranen Artengemeinschaft zu untersuchen. Aus der terrestrischen Lebensgemeinschaft wurden verschiedene Organismengruppen untersucht. Die Effekte auf Enchytraeen aus dem Experiment mit Pyrimethanil waren als Veröffentlichung Teil dieser Dissertation. In der portugiesischen Halbfreilandstudie wurden keine Effekte auf die Enchytraeen durch Pyrimethanil bei umweltrelevanten Konzentrationen festgestellt, jedoch beeinflusste die Bodenfeuchte die Zusammensetzung der Artengemeinschaft. Im deutschen TME-Experiment wurde eine verstärkte Wirkung des Fungizids in trockenem Boden festgestellt, d.h. die jeweiligen Effektkonzentrationen (niedrigste EC50 3,48 mg a.s./kg dw für Fridericia connata in trockenem Boden) lagen deutlich unterhalb der aus den Labortests mit Enchytraeus bigeminus bekannten Werten (499 mg a.s./kg dw).
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass klimatische Faktoren die Effekte von Pflanzenschutzmittel auf Bodenorganismen beeinflussen können. Für Laborversuche ist eine generelle Berücksichtigung von klimatischen Faktoren im Zulassungsverfahren aus heutiger Sicht zu weit gegriffen. Die TME-Versuche zeigten sich als geeignetes Testverfahren, interaktive Effekte von Pestiziden und Klima bzw. multiplen Stressoren generell auf Artengemeinschaften zu untersuchen. Für TME-Experimente wäre unter Beachtung der Vielzahl möglicher Fragestellungen, Endpunkte und moderner statistischer Auswerteverfahren eine internationale Richtlinie wünschenswert.
Das Vorkommen von Kunststoffmaterialien <5 mm, sogenanntem Mikroplastik
(MP), in marinen Ökosystemen wurde bereits eingehend untersucht. Im Gegensatz dazu existieren erhebliche Wissenslücken hinsichtlich der Abundanz und der Auswirkung von MP in limnischen Ökosystemen. Vor diesem Hintergrund steht das Umweltvorkommen, mögliche Eintragspfade und die Auswirkungen von MP auf aquatische Invertebraten im Fokus dieser Arbeit. Zur Bestimmung der MP-Abundanz in Fließgewässern sind Sedimente der Elbe untersucht worden. Hierfür wurde zunächst eine Methode zur Extraktion und Identifizierung von MP aus Umweltproben entwickelt, optimiert und validiert. In der anschließenden Analyse konnten in elf Probenahmestellen 55–17400 MP kg-1 in den Sedimenten nachgewiesen werden. Der Einfluss der Gezeitenströmung wurde anhand der abnehmenden MP-Abundanz in der Tideelbe deutlich. Insgesamt weisen die Ergebnisse darauf hin, dass Sedimente von Fließgewässern eine Senke für MP darstellen. Für die Evaluation von Eintragspfaden von MP in Oberflächengewässer wurden die
Einleiter von fünf Kläranlagen beprobt und 240–897 MP m-3 in den Einleitern detektiert. Die Detailuntersuchung einer Kläranlage zeigte, dass >99% der MP-Fracht im Verlauf der Abwasseraufbereitung entfernt wird. Hierbei erfolgte die Hauptentfernung
bereits in der Vorklärung. Somit stellen Kläranlagen effektive Barrieren für den Eintrag von MP dar.
Insgesamt wird ersichtlich, dass die getesteten Arten C. riparius und G. pulex relativ insensitiv gegenüber einer MP-Exposition sind. So konnten bei G. pulex keine und bei C. riparius erst bei sehr hohen MP-Konzentrationen adverse Effekte detektiert werden. Hierbei ist die Autökologie der Spezies eine mögliche Erklärung für die Toleranz gegenüber partikulären Stressoren. Auf Basis dieser Daten sowie der ermittelten MPAbundanz kann das Umweltrisiko von MP in limnischen Ökosystemen vorläufig als
gering eingeschätzt werden. Hierbei gilt es jedoch zu beachten, dass eine abschließende
Bewertung aufgrund der nach wie vor existierenden Unsicherheiten nicht möglich ist. Diese Unsicherheiten betreffen die Umweltkonzentration von MP <80 μm, das Verhaltensowie das Wirkpotential dieser heterogenen und dynamischen Stressorenklasse
in umweltrelevanten Szenarien.
Seit den 1950er Jahren hat sich Plastik als unverzichtbare Ressource im menschlichen Alltag etabliert. Als negative Folge dieses Booms wird seit einigen Jahrzehnten jedoch eine zunehmende Belastung aquatischer Ökosysteme mit Plastikmüll bzw. dessen Degradationsprodukten, sogenanntes „Mikroplastik“ (MP, < 5 mm) bzw. „Nanoplastik“ (NP, < 1 µm), beobachtet. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des aktuellen Vorkommens von MP in limnischen Gewässern, die Analyse der Interaktion zwischen MP und limnischen Wirbellosenarten und der daraus resultierenden Toxizität sowie eine erste Risikoabschätzung.
Das Vorkommen von Mikroplastik in limnischen Gewässern wurde exemplarisch anhand der Elbe als großes Fließgewässer in Deutschland untersucht. Durch die Auswertung von elf Probestellen entlang des Verlaufs der Mittel- und Unterelbe konnte gezeigt werden, dass die MP-Konzentrationen im Sediment (2,26x10^4 – 2,27x10^7 P m^-3) im Mittel fast 150.000-fach höher sind als in der Wasserphase (0,88–13,24 P m^-3). Sedimente sind somit eine Senke für MP. Die Zusammensetzung der Polymerarten sowie MP-Formen deuten zudem an, dass die Partikel sowohl aus diffusen wie auch aus Punktquellen (z.B. Industrieabwässer) stammen. Im globalen Vergleich können die MP-Konzentrationen in deutschen Fließgewässern z. Z. als durchschnittlich betrachtet werden. Allerdings muss insgesamt davon ausgegangen werden, dass die bisher bestimmten MP-Umweltkonzentrationen die realen Konzentrationen möglicherweise unterschätzen. So zeigte die Elbestudie, dass die Sedimentfeinfraktion < 100 µm einen bedeutenden Polymeranteil enthielt. Die meisten bisher durchgeführten Studien zur Bestimmung von MP-Partikeln in Flüssen haben Partikel < 100 µm jedoch nicht in ihrer Analyse berücksichtigt.
Die Interaktion von MP mit limnischer Biota wurde anhand der Artgruppen der Muscheln (Bivalvia), Schnecken (Gastropoda) sowie Krebstiere (Crustacea) näher untersucht. Die Intensität der Interaktion ist maßgeblich von der Aufnahme von MP durch die verschiedenen Arten abhängig. Anhand von zahlreichen Aufnahmestudien mit verschiedenen limnischen Arten, darunter den Muschelarten Dreissena polymorpha, Sinanodonta woodiana und Anodonta anatina, der Lungenschnecke Lymnaea stagnalis sowie der Amphipodenart Gammarus pulex, wurde nachgewiesen, dass die MP-Aufnahme von den Eigenschaften der exponierten Arten bzw. Individuen, den MP-Charakteristika sowie den Expositionsbedingungen abhängt. Die Experimente mit Muscheln verdeutlichten die rasche Aufnahme, aber auch Exkretion von MP-Partikeln innerhalb weniger Stunden. In allen drei Artgruppen war die Aufnahme konzentrationsabhängig mit zunehmender Aufnahme bei steigenden MP-Konzentrationen. Die Muschelexperimente zeigten jedoch auch, dass eine gleichzeitige Exposition mit anderen Partikeln (z.B. Nahrung) zu einer reduzierten Aufnahme führt. Auch die Größe der Testorganismen beeinflusste die Aufnahme: So nahmen im Fall der Muscheln und Krebse kleinere Individuen (bzw. im Fall der Muscheln auch Arten) relativ pro Körpermasse mehr MP-Partikel auf als größere Individuen bzw. Arten. Für alle untersuchten Arten wurde darüber hinaus gezeigt, dass die MP-Größe relevanten Einfluss auf die Menge an aufgenommenen Partikeln hat.
Ein Vergleich zwischen den Artgruppen zeigte, dass Muscheln als filtrierende Organismen in den Laboruntersuchungen bei gleicher Expositionskonzentration mehr MP aufnahmen als Krebse (Zerkleinerer) und Schnecken (Weidegänger). Im Gegensatz zu Muscheln nutzen Krebstiere und Schnecken allerdings die Grenzschicht zwischen Wasser- und Sedimentphase als Suchraum für ihre Nahrung und sind in der Umwelt (auf Grund des höheren MP-Vorkommens in Sedimenten) somit möglicherweise gegenüber höheren MP-Konzentrationen exponiert als Muscheln. Die Extrapolation der gewonnenen Labordaten sowie der Vergleich mit publizierten Umweltdaten legen allerdings nahe, dass das MP-Vorkommen in Individuen aller drei Artgruppen bisher auf einige wenige MP-Partikel begrenzt ist. Ausgeprägte Unterschiede zwischen den Artgruppen sind bisher nicht erkennbar.
MP-Toxizitätsstudien mit G. pulex, L. stagnalis sowie D. polymorpha konnten trotz der Berücksichtigung einer Vielzahl an Endpunkten (Mortalität, Reproduktion, Nahrungsaufnahme, oxidativer Stress, Energiereserven, Immunzellaktivität) und trotz des Einsatzes zum Teil sehr hoher MP-Konzentrationen weit oberhalb aktueller Umweltkonzentrationen nur sehr wenige MP-induzierte Effekte nachweisen, darunter eine Steigerung der Filtrationsaktivität (D. polymorpha) bzw. Veränderung der Immunfunktion von Hämolymphzellen (L. stagnalis).
Zur weiteren Risikoabschätzung wurden diese Studienergebnisse mit publizierten Daten für marine und limnische Muschel- und Krebsarten in Artenempfindlichkeitsverteilungen (Species Sensitivity Distributions, SSD) zusammengeführt und jeweils eine SSD für Muscheln und Krebstiere erstellt. Die Erstellung einer SSD nur für limnische Arten ist zum jetzigen Zeitpunkt auf Grund der geringen Datenlage noch nicht möglich.
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Plastic pollution is a pervasive problem. In the environment, both the physical and chemical aspects of the material contribute to pollution. For instance, discarded plastic is useless waste that is fragmented upon degradation and so-called microplastics <5 mm are formed. Besides, the chemicals added into plastics are usually customized for specific functions, but these can easily transfer from the polymer into an ambient medium. This work examined both of these aspects. Moreover, the question of whether ecotoxicological effects are more likely to appear because of the microparticle properties or the chemicals transferring from the microplastics was addressed. A special focus was laid on the UV-weathering-induced chemical release.
First, conventional and biodegradable plastics made from fossil and bio-based resources were chosen. The different materials (pre-production and recycled pellets as well as final products)were weathered and their leachates evaluated in vitro. The leachates were analyzed with nontarget screening in order to measure the number of transferred chemicals. Plastics identified as toxic were subjected to further investigations in vivo. A biodegradable shampoo bottle was processed to microplastics and the particles’ physical and chemical properties were assessed with the freshwater worm Lumbriculus variegatus. Here, commonly used endpoints such as mortality, reproduction and weight were tested via different exposure routes. Moreover, the freshwater shrimp Neocaridina palmata was exposed to microplastic beads and fragments to clarify if the shape of the particles affects the ingestion and egestion, respectively. Thereafter, two materials that displayed the strongest toxic responses in vitro within the first study were weathered and leached. Finally, the shrimps were exposed to the leachates and the locomotor behavior was used as an ecologically relevant but less frequently studied endpoint.
The results of the studies highlight that plastics are chemically complex mixtures, containing a wide range of chemicals in terms of the number and functionality. These chemicals induced oxidative stress, baseline toxicity and endocrine activities. This shows that pellets represent a processing state that comprises chemically heterogenous materials. Moreover, it was shown that a degradation initiator is not necessarily relevant to trigger inherent substances to leach out from plastics. Despite this, the UV-weathering resulted in increasingly released chemicals and exacerbated the in vitro toxicities. Even plastics assessed as toxicologically harmless prior to weathering released toxic chemical mixtures once they were weathered. One recycled and all of the biodegradable plastics were toxicologically most concerning. This means that such materials are currently not better than conventional, virgin plastics in terms of their toxicity.
To clarify the source of the microplastic toxicity, L. variegatus was exposed to biodegradable microplastics. The particles were ingested by the worms and adversely affected the examined endpoints. In comparison, microplastics that were depleted from their chemicals via a solvent treatment were less toxic. Kaolin as a natural particle control was evaluated alongside and positively affected the weight of the worms. This emphasizes the ecological relevance of fine-sized matter for the test species. The chemicals extracted from the microplastics induced a 100% mortality. A chemical analysis of the material revealed two ecotoxicologically relevant biocides. The physically-mediated effects of the microplastics seemed to be less of a concern for the worms, which is probably linked to their adaptation to high concentrations of naturally occurring particles in the environment. However, the effects related to the chemicals of plastic cannot be ignored, especially for materials that are claimed to be environmentally friendly.
In the third study, the role of the particle shape in the gut passaging of N. palmata was studied. While the particle size was a determinant factor for the ingestion, the ingestion and egestion of the beads and fragments did not differ, respectively. The shrimps ingested less fragments when food was provided than in the absence of food. As for the worms, the shrimps are known to ingest many naturally occurring particles. Their unselective feeding behavior towards the particle shape could indicate that microplastics as a physical pollutant are negligible for the shrimps. That is why the chemicals of the two most toxic in vitro materials were tested with N. palmata. However, no trend towards elevated or reduced movements of the shrimps was observed, even though the leachates contained baseline toxicants. This shows that the in vitro toxicities of plastics are not necessarily indicative for effects to occur at the in vivo level...
Weltweit werden etwa 17% aller Infektionskrankheiten von Vektoren auf den Menschen übertragen. Dabei dienen meist blutsaugende Arthropoden wie Stechmücken, Zecken oder Sandfliegen als Überträger von Bakterien, Viren oder einzelligen Parasiten. Zur letzteren Gruppe gehört auch der protozoische Erreger der Chagas-Krankheit Trypanosoma cruzi. Er wird von hämatophagen Triatominae, einer Unterfamilie der Raubwanzen (Hemiptera: Reduviidae) während der Blutmahlzeit an einem infizierten Säugerwirt aufgenommen, durchläuft komplexe Entwicklungsschritte im intestinalen Trakt der triatominen Insekten und wird anschließend über den Fäzes und Urin der Wanzen abgegeben. Die Infektion des nächsten Wirts erfolgt dann durch das versehentliche Einreiben der Erreger in die Stichwunde oder auf Schleimhäute. Auch eine Infektion über die orale Aufnahme von kontaminierter Nahrung, Mutter-Kind-Infektionen und die Übertragung durch Blutkonserven und Organtransplantate sind möglich. Die Chagas‑Krankheit, oder auch Amerikanische Trypanosomiasis, ist insbesondere in Mittel- und Südamerika verbreitet und betrifft nach Schätzungen der WHO 6 bis 7 Millionen Menschen. Infolge von globaler Immigration und erhöhtem Reiseverkehr treten jedoch in den letzten Jahrzehnten auch vermehrt Fälle in Europa, den USA, Kanada und den westlichen Pazifikstaaten auf. Da dort bislang geeignete Vektoren fehlen, kommt es außerhalb des lateinamerikanischen Kontinents nicht zu vektorübertragenen Infektionen. Dies könnte sich jedoch im Zuge des Klimawandels und einer voranschreitenden Globalisierung ändern, sollte der Ausbreitung der Chagas-Krankheit eine Ausbreitung ihrer triatominen Vektoren folgen.
Inwieweit Triatominae unter heutigen Bedingungen klimatisch geeignete Habitate außerhalb des amerikanischen Kontinents finden, wurde innerhalb des ersten Projekts der vorliegenden Dissertation untersucht. Dazu wurde mit Hilfe der ökologischen Nischenmodellierung und Vorkommensdaten verschiedener vektorkompetenter Raubwanzenarten sowie klimatischer Umweltvariablen die klimatische Eignung verschiedenster Lebensräume modelliert und global projiziert. Es zeigte sich, dass insbesondere tropische und subtropische Gebiete Afrikas sowie Ost- und Südostasiens zwischen 21° nördlicher Breite und 24° südlicher Breite für viele triatomine Vektorarten geeignete Bedingungen aufweisen. Auffällig ist dabei insbesondere die Art Triatoma rubrofasciata, welche nachweislich bereits in Südchina, Vietnam und weiteren Ländern Afrikas und Asiens gefunden wurde. Die Modellierung
offenbarte, dass weitere ausgedehnte Teile der Küstenregionen Afrikas und Südostasiens als für T. rubrofasciata klimatisch geeignet angesehen werden müssen. Eine weitere Ausbreitung dieser Art ist demnach äußerst wahrscheinlich und stellt bislang das größte Risiko autochthon übertragener Chagas-Infektionen außerhalb des amerikanischen Kontinents dar. Es konnten außerdem zwei triatomine Arten identifiziert werden, namentlich T. infestans und T. sordida, welche in gemäßigten Klimazonen geeignete Habitate finden. Zu diesen gehören beispielsweise Neuseeland und Teile Australiens, aber auch südeuropäische Länder wie Spanien, Italien, Griechenland und Portugal. Da mit einer Ausweitung der klimatisch geeigneten Gebiete infolge des sich verändernden Klimas zu rechnen ist, wäre ein Monitoring der Vektoren, wie es bereits in Südchina etabliert ist, aber insbesondere die Einführung der Meldepflicht für Amerikanische Trypanosomiasis in diesen Regionen sinnvoll. Die Ergebnisse der Studie zeigen deutlich, dass die bisher vernachlässigte Tropenkrankheit Chagas nicht allein ein Problem des lateinamerikanischen Kontinents ist, sondern deren Erforschung vielmehr weltweit Beachtung finden sollte.
So konzentrierten sich die folgenden Forschungsprojekte der Promotion verstärkt auf die Mechanismen, welche die Entwicklung und Transmission des Parasiten und die Interaktion mit seinen Vektoren betreffen. Von besonderem Interesse waren dabei die ökologischen Prozesse, welche bei der Kolonisation des Darmtrakts der Vektoren durch T. cruzi ablaufen und essentiell für die Proliferation und damit die Übertragung des Parasiten sind. Eine entscheidende Rolle spielen dabei die mit dem Vektor assoziierten Mikroorganismen und ihre funktionellen Fähigkeiten – zusammengefasst als Mikrobiom bezeichnet. Dieses erfüllt wichtige physiologische Funktionen des Insekts und kann beispielsweise das Immunsystem und die Detoxifikation beeinflussen. Um die Veränderungen der organismischen Zusammensetzung und der funktionellen Kapazitäten, welche die Infektion mit dem Pathogen im Darmtrakt der Vektoren auslösen, zu untersuchen, wurde ein metagenomischer Shotgun Sequenzierungsansatz gewählt. Die daraus resultierenden Datensätze wurden anschließend bioinformatisch ausgewertet und auf ihre mikrobielle Zusammensetzung und metabolischen Fähigkeiten hin untersucht. Es zeigte sich zunächst, dass das Bakterium Rhodococcus rhodnii, welches lange als alleiniger echter Symbiont des untersuchten Vektors Rhodnius prolixus galt, in seiner Funktionalität nicht einzigartig im Mikrobiom des Insekts ist. ...
Tissue translocation, multigenerational and population effects of microplastics in Daphnia magna
(2021)
The last century saw the widespread adoption of plastic materials throughout nearly every aspect of our lives. Plastics are synthetic polymers that are made up of monomer chains. The properties of the monomer in conjunction with chemical additives allow plastics to have a sheer endless variety of features and use cases. They are cheap, lightweight, and extremely durable. Plastic materials are often engineered for single-use and in conjunction with high production volumes and insufficient waste management and recycling across the globe, this leads to a large number of plastics entering the environment. Marine ecosystems are considered sinks. However, freshwater ecosystems as entry pathways are highly affected by plastic waste as well. Throughout the past decade, the impact of plastic waste on human and environmental health has received a lot of attention from the ecotoxicological community as well as the public. Small plastic fragments (< 1 mm called microplastics) are a large part of this emerging field of research. Within this, the water flea Daphnia magna is probably the most common organism that is used to assess microplastics toxicity. As a filter-feeding organism, it indiscriminately ingests particles from the water column and is thus highly susceptible to microplastics. For this thesis, we identified some gaps in the available data on the ecotoxicity of microplastics to daphnids. To illuminate some of those gaps the present thesis was aimed at five main aspects:
(1) Tissue translocation of spherical microplastics in Daphnia magna
(2) Investigation of the toxicity of irregularly shaped microplastics
(3) Multigenerational and population effects of microplastics
(4) Comparison of the toxicity of microplastics and natural particles
(5) Effects of particle-aging on microplastics toxicity
The thesis is comprised of three peer-reviewed articles and one so-far unpublished study as “additional results”. The first study was aimed at understanding tissue translocation of spherical microplastics to lipid storage droplets of daphnids. The crossing of biological membranes is discussed as a prerequisite to eliciting tissue damage and an inflammatory response. Previously, researchers reported the translocation of fluorescently labeled spherical microplastics to lipid storage droplets of daphnids, even though no plausible biological mechanism to explain this occurrence. Therefore, in order to learn more about this process and potentially illuminate the mechanism we replicated the study. We were able to observe a fluorescence signal inside the lipid droplets only after increasing the exposure concentrations. Nonetheless, it appeared to be independent of particles. This led to the hypothesis, that the lipophilic fluorescent dye uncoupled from the particles and subsequently accumulated in lipid storage droplets. The hypothesis was further confirmed through an additional experiment with a silicone-based passive sampling device showing that the fluorescence occurred both independent of particles and digestive processes. Accordingly, we concluded that the reported findings were a microscopic artifact caused by the uncoupling of the dye from the particles. Therefore, a fluorescence signal alone is not a sufficient proxy to assume that particles have translocated. It needs to be coupled with additional methods to ensure that the observation is indeed caused by the translocation of particles.
It is still unclear whether the toxicity profile of microplastics is different from that of naturally occurring particles or if they are “just another particle”, as there are innumerable amounts in the natural environment surrounding an organism. The goal of the second study was to compare the toxicity of irregularly shaped polystyrene microplastics to that of the natural particle kaolin. The environment is full of natural non-food particles that daphnids ingest more or less indiscriminately and therefore are well adapted to deal with. Daphnids have a short generation time and usually experience food limitation in nature. Therefore, short-term studies only looking at acute toxicity with ad libitum food availability are not representative of the exposure scenario in nature. For a more realistic scenario, we, therefore, used a four-generation multigenerational design under food limitation to investigate how effects translate from one generation to the next. We observed concentration-dependent effects of microplastics but not of natural particles on mortality, reproduction, and growth. Some of the effects increased from generation to generation, leading to the extinction of two treatment groups. Here, microplastics were more toxic than natural particles. At least part of this difference can be explained by physical properties leading to the quick sedimentation of the kaolin, while microplastics remained in the water column. Nonetheless, buoyancy and sedimentation would also affect exposure in the environment and are likely different for most microplastics than for most naturally occurring particle types.
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Unter den weltweit in ständigem Gebrauch befindlichen Chemikalien befinden sich nicht nur Verbindungen mit akuter toxischer Wirkung, sondern auch solche mit Wirkung auf das endokrine System. Eine große Rolle spielt hier vor allem die Störung der Geschlechtsdifferenzierung und der Reproduktion, ausgelöst durch natürliche oder synthetische Chemikalien mit endokrinem Potential, sogenannte endokrine Disruptoren (ED). Diese Chemikalien können über unterschiedliche Eintragspfade in die Umwelt gelangen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts werden mehr und mehr Fälle bekannt, in denen anthropogene Chemikalien die Pflanzen- und Tierwelt belasten, darunter zahlreiche Befunde zu Störungen des Hormonsystems von Mensch und Tier.
Im Rahmen der Gefahren- und Risikobewertung steht bereits eine Vielzahl harmonisierter Prüfrichtlinien für die Identifizierung und Evaluierung der Effekte von (potentiellen) ED zur Verfügung. Um die Gesamtheit aller potentiellen Interaktionen von ED mit dem Hormonsystem detektieren zu können, ist die In-vivo-Untersuchung an Vertebraten in der Chemikalienregistrierung bisher unabdingbar. Bei der Untersuchung endokriner Potentiale in höheren Vertebraten spielen vor allem nager- und vogelbasierte Testsysteme eine wichtige Rolle. Diese bergen jedoch einen hohen zeitlichen, personellen und finanziellen Aufwand und erfordern eine massive Zahl an Versuchstieren, die für diese Tests benötigt werden. Darüber hinaus beinhalten Tierversuche eine Vielzahl von Problemen einschließlich ethischer Bedenken, die sich als Konsequenz der Tierhaltung unter Versuchsbedingungen ergeben. Ein sehr interessanter und vielversprechender Ansatz zur Reduktion von Tierversuchen ist die Entwicklung eines standardisierten Verfahrens für die Untersuchung potentieller ED in Vogelembryonen. Auf Vogelembryonen basierende In-ovo-Modelle stellen einen Mittelweg zwischen In-vitro- und In-vivo-Testsystemen dar. Mit dem Vogeleitest wird der sich entwickelnde Embryo, das für ED sensitivste Entwicklungsstadium im Leben eines Organismus, berücksichtigt.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Eignungsuntersuchung eines auf dem Embryo des Haushuhns (Gallus gallus domesticus) basierenden Testsystems für den Nachweis von ED. Das resultierende Testsystem soll als Alternativmethode zu bisher etablierten nager- und vogelbasierten Testsystemen für die Untersuchung der Effekte hormonell aktiver Substanzen auf die Geschlechtsdifferenzierung in höheren Wirbeltieren eingesetzt werden.
Die im Rahmen der vorliegenden Dissertation durchgeführten Arbeiten umfassten sowohl die Charakterisierung der Normalentwicklung des Hühnerembryos, unbeeinflusst durch ED, als auch die morphologisch-histologischen Veränderungen der Gonaden von substanzexponierten Embryonen. Für die Untersuchung substanzbedingter Effekte, welche den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit darstellen, wurden die Embryonen gegenüber verschiedenen (anti)estrogenen und (anti)androgenen Substanzen exponiert. Unter Einfluss der Estrogene Bisphenol A (BPA) und 17α-Ethinylestradiol (EE2) entwickelten sich die Keimdrüsen der Männchen zu Ovotestes, während Weibchen ein Ovar mit deutlich schmalerem Cortex ausbildeten. Unter Einfluss der Antiestrogene Fulvestrant und Tamoxifen blieben Effekte auf die Gonaden männlicher Embryonen aus, eine durch das potente Estrogen EE2 hervorgerufene Feminisierung männlicher Gonaden konnte durch beide Substanzen jedoch effektiv antagonisiert werden. Weibchen bilden unter Einfluss von Tamoxifen deutlich schmalere linke Gonaden mit einem missgebildeten Cortex aus. Unter Einfluss der Androgene Tributylzinn (TBT) und 17α-Methyltestosteron (MT) blieben die Effekte auf männliche Embryonen aus, während die Weibchen anatomisch virilisierte Gonaden und eine Reduktion des linken gonadalen Cortex aufwiesen. Allein die untersuchten antiandrogenen Versuchssubstanzen Cyproteronacetat (CPA), Flutamid und p,p´-Dichlorodiphenyldichloroethen (p,p´-DDE) hatten keinen Effekt auf die gonadale Geschlechtsdifferenzierung männlicher und weiblicher Hühnerembryonen.
Es konnte gezeigt werden, dass der Embryo von G. gallus domesticus einen sensitiven Organismus innerhalb des Tierreichs darstellt und hinreichend sensitiv auf eine Reihe von endokrin wirksamen und reproduktionstoxischen Chemikalien reagiert. Anatomische und histologische Änderungen der Gonaden können daher als Biomarker für die Wirkung von ED bei Vögeln nützlich sein. Die untersuchten Endpunkte beziehen sich jedoch auf apikale Effekte und liefern keine mechanistischen Informationen zu den untersuchten Substanzen. Der
Hühnereitest ist eine sinnvolle Ergänzung zur bestehenden OECD-Testbatterie und zeichnet sich besonders durch seine kostengünstige und einfache Handhabung im Labor sowie einfach durchzuführende Tests aus. Durch die vergleichsweise kurze Versuchsdauer von nur 19 Tagen ist ein schnelles Substanzscreening möglich, welches zeitlich deutliche Vorteile gegenüber den etablierten nager- und vogelbasierten Testsystemen hat. Als Alternative zu bisherigen Assays könnte der vorgeschlagene Hühnereitest dazu beitragen, im Rahmen der (öko)toxikologischen Gefährdungs- und Risikobewertung von Chemikalien künftig weniger Versuchstiere zu verwenden.
Snake bite envenoming often results in disability or death of breadwinners of poor families in the rural tropics and the subtropics of Nepal. Identification of the medically relevant snake species, circumstances of venomous snake bites, prehospital care of their bites and human responses to snakes and snake bite is, therefore, crucial to enable victims or first aider to select the appropriate first aid measures, physicians to anticipate complications and to use appropriate treatment protocols as well as the local community to implement prevention strategies. Inadequate educational gaps exist in Nepal and hinder identification of snakes involved in bites. To fill this gap, I aim to provide an evidence-based list of medically relevant snake species. Snake specimens brought by patients bitten or their attendants from the tropical and subtropical regions in southeastern, southcentral, and southwestern Nepal to snake bite treatment centres over a period from 2010 through 2014, were taxonomically identified and medical records of envenoming were evaluated.
In Nepal, the epidemiology of snake bite is poorly known. Here I describe the ecological circumstances of proven krait (Bungarus spp.) and Russell´s Viper (Daboia russelii) bites to elucidate and examine, whether environmental circumstances or human behaviour contributed to envenoming. In a cross-sectional study, data about prehospital care, environmental circumstances of 46 krait and 10 Russell´s Viper bites were evaluated. Patients were interviewed using structured interview forms. Snake bite prone communities were surveyed to test people´s knowledge on snakes and their attitude towards venomous snakes in general.
Of 349 snakes involved in bites, 199 (57%) specimens were found to be medically relevant venomous snakes that included 11 species belonging to six genera and two families. Among them, Naja naja (n = 76, 22%), Bungarus caeruleus (n = 65, 19%) and Trimeresusurs albolabris (n = 10, 3%) were the most widely distributed snakes. Daboia russelii (n = 10, 3%) was found to be restricted to the southwestern part of Nepal. For B. walli, a previously poorly known species, 13 voucher specimens represent the first country records of this species as well as the first documented cases of involvement in snake bite envenoming by this species in Nepal.
Numerous snake bites (33%) occurred at night, during the rainy season, and are mainly due to Bungarus species, particularly B. caeruleus. Bites of cobras and Russell’s Vipers are a risk at daytime. Evaluation of data regarding the place where the bite happened, indicates that the snake bite risks appear to be as high in residential areas, in and around houses, as in rural areas. In cases of kraits (n = 46), 61% of the bites occurred while the victim was sleeping indoors, those of Russell´s Vipers mainly during agricultural activities in the fields. Analysis of socio-demographic data revealed that both krait and viper bites predominantly affected farmers or their family members. However, snake bites involved also people of higher socio-economic status, which suggests that it is not a health problem of poor people only living in the rural areas of Nepal.
A small number of snake bite victims (n = 7) sought help from traditional healers, but most patients went to hospitals for medical treatment using motorbikes (65%) or were transferred by ambulance cars (22%). As a first aid measure, most patients (78%) had used a tourniquet, which is of doubtful value and has often severe sequelae, instead of applying the WHO recommended pressure immobilisation bandage or local compression pad. The overall case fatality rate was calculated to be 10%, but up to 17% in cases of Bungarus spp. bites.
Rural community people were found to be extremely afraid of snakes, a major reason for indiscriminate killing of even harmless snakes, e.g., Lycodon aulicus, which were wrongly considered to be venomous. This is mainly due to the poor knowledge on snakes in general and on their role in providing ecological services, which may eventually lead to a decline in snake populations and even the extinction of rare species.
The results of the present study strongly emphasize that snake bite is an important public health issue in Nepal. There is an urgent need to improve the knowledge of people on snakes and to try changing their attitudes towards these reptiles, in addition to documenting the biodiversity and distribution of medically relevant snakes, the epidemiology and circumstances of their bites. Avoiding high-risk behaviour (e.g., killing of snakes), using screened doors and windows are some of the suggested measures preventing snake bite. Early and accurate identification of the snakes involved should help physicians to apply timely treatment, eventually referring the patient to the appropriate hospital. This also has important implications in developing public health and conservation strategies, to the benefit of the people of Nepal.
The environmental impact of climate change is meanwhile not only discussed in the scientific community but also in the general public. However, little is known about the interaction between climate change and pollutants like pesticides. A combination of multiple stressors (e.g. temperature, pollutants, predators) may lead to severe alterations for organisms such as changes in time of reproduction, reproductive success and growth performance, mortality and geographic distribution. The questions if aquatic organisms tend to react more sensitive towards incidents under climate change conditions remains. Therefore, within the present thesis the aquatic ecotoxicological profile of the fungicide pyrimethanil, as an exemplarily anthropogenic used contaminant, was examined.
A large test battery of ecotoxicological standard tests and supplement bioassays with non-model species was conducted to investigate if species-specific or life stage-specific differences occur or if temperature alteration may change the impact of the fungicide. Two of the most sensitive species (Chironomus riparius and Daphnia magna) were used to investigate the acute and chronic thermal dependence of pyrimethanil effects. The results clearly depict that the ecotoxicity of pyrimethanil at optimal thermal conditions did not depend on the trophic level, but was species-specific. With regard to EC10 values the acute pyrimethanil toxicity on C. riparius increased with higher temperature (6.78 mg L-1 at 14°C and 3.06 mg L-1 at 26°C). The chronic response of D. magna to the NOEC (no observed effect concentration) of the fungicide (0.5 mg L-1) was examined in an experiment which lasted for several generations under three simulated near-natural temperature regimes (‘cold year, today’ (11 to 22.7°C), ‘warm year, today’ (14 to 25.2°C) and ‘warm year, 2080’ (16.5 to 28.1°C)). A pyrimethanil-induced mortality increase was buffered by the strongly related increase of the general reproductive capacity, while population growth was stronger influenced by temperature than by the fungicide. At a further pyrimethanil concentration (LOEC – lowest observed effect concentration: 1 mg L-1), a second generation could not be established by D. magna under all thermal regimes.
Besides daphnids, the midge C. riparius was used for a second multigeneration study. In a bifactorial test design it was tested if climate change conditions alter or affect the impact of a low fungicide concentration on life history and genetic diversity. The NOAEC/2 (half of the no observed adverse effect concentration derived from a standard toxicity test) was used as a low pyrimethanil concentration to which laboratory populations of the midges were chronically exposed under the mentioned temperature scenarios. During the 140-day-multigeneration study, survival, emergence, reproduction, population growth, and genetic diversity of C. riparius were analyzed. The results reveal that high temperatures and pyrimethanil act synergistically on life history parameters of C. riparius. In simulated present-day scenarios, a NOAEC/2 of pyrimethanil provoked only slight to moderate beneficial or adverse effects. In contrast, an exposure to a NOAEC/2 concentration of pyrimethanil at a thermal situation likely for a summer under the future expactations uncovered adverse effects on mortality and population growth rate. In addition, genetic diversity was considerably reduced by pyrimethanil in the ‘warm year, 2080’ scenario, but only slightly under current climatic conditions. The multigeneration studies under near-natural thermal conditions indicate that not only the impact of climate change, but also low concentrations of pesticides may pose a reasonable risk for aquatic invertebrates in the future. This clearly shows that thermal and multigenerational effects should be considered when appraising the ecotoxicity of pesticides and assessing their future risk for the environment.
In addition to temperature further multiple abiotic and biotic stressors alterate pollutant effects. Moreover, to better discriminate and understand the intrinsic and environmental correlates of changing aquatic ecosystems, it was experimentally unraveled how the effects of a low-dose of pyrimethanil on daphnids becomes modified by different temperatures (15°C, 20°C, 25°C) and in the presence/ absence of predator kairomones of Chaoborus flavicans larvae. The usage of a fractional multifactorial test design provided the possibility to investigate the individual growth, reproduction and population growth rate of Daphnia pulex via different exposure routes to the fungicide pyrimethanil at an environmentally relevant concentration (0.05 mg L-1) - either directly (via the water phase), indirectly (via algae food), dually (via water and food) or for multiple generations (fungicide treated source population).
The number of neonates increased with increasing temperatures. At a temperature of 25°C no significant differences between the individual treatment groups were observed although the growth was overall inhibited due to pyrimethanil. Besides, at 15 and 20°C it is obvious that daphnids which were fed with contaminated algae had the lowest reproduction and growth rate. The obtained results clearly demonstrate that multiple stress factors can modify the response of daphnids to pollutants. The exposure routes of the contaminant are of minor importance, while temperature and the presence of a predator are the dominant factors impacting the reproduction of D. pulex. It can be concluded that low concentrations of pyrimethanil may disturb the zooplankton community at suboptimal temperature conditions, but the effects will become masked if chaoborid larvae are present. Therefore it seems necessary to observe prospectively if the combination of several stress factors like pesticide exposure and suboptimal temperature may influence the life history and sensitivity of several aquatic invertebrates differently.
Besides standard test organisms it is inevitable to conduct test with aquatic invertebrate which are not yet considered regularly in ecotoxicological experiments. For example molluscs represent one of the largest phyla of macroinvertebrates with more than 100.000 species, being ecologically and economically important. Therefore, within the present study embryo, juvenile, half- and full-life cycle toxicity tests with the snail Physella acuta were performed to investigate the impact of pollutants on various life stages. Different concentrations of pyrimethanil (0.06-0.5 or 1.0 mg L-1) assessed at three temperatures (15°C, 20°C, 25°C) revealed that pyrimethanil caused concentration-dependent effects independent of temperature. Interestingly, the ecotoxicity of pyrimethanil was higher at lower temperature for the embryo hatching and F1 reproduction, but its ecotoxicity for the growth of juveniles and the F0 reproduction increased with increasing temperature. More specifically, it could have been observed that especially during the reproduction test high mortality rates occurred at the highest concentration of 1 mg L-1 at all temperatures. Due to high mortality rates no snails were available for the F1 at the highest concentrations (0.5 and 1.0 mg L-1). Compared to the F0, overall more egg masses were produced in the F1, being all fertile and no mortality occurred. For the F1-generation the strongest pyrimethanil effects were detected at 15°C. A comparison of effect concentrations between both generations showed that the F1 is more sensitive than the F0.
These results indicate that an exposure over more than one generation may give a better overview of the impact of xenobiotics. With the establishment of an embryo and reproduction test under different temperatures and various concentrations of pyrimethanil with P. acuta we could successfully show that molluscs can respond more sensitive than model organisms and that both, chemical and thermal stressor strongly influence the behaviour of the pulmonates. It can be concluded that the high susceptibility for the fungicide observed in gastropods clearly demonstrates the complexity of pesticide-temperature interactions and the challenge to draw conclusions for the ecotoxicological risk assessment of pesticides under the impact of global climate change.
Adaptive Radiation und Zoogeographie anisakider Nematoden verschiedener Klimazonen und Ozeane
(2013)
Anisakide Nematoden sind Parasiten aquatischer Organismen und weltweit in marinen Habitaten verbreitet. Ihre Übertragungswege sind tief im marinen Nahrungsnetz verwurzelt und schließen ein breites Spektrum pelagisch/benthischer Invertebraten (z.B. Cephalopoda, Gastropoda, Crustacea, Polychaeta) und Vertebraten (z.B. Teleostei, Elasmobranchia, Cetacea, Pinnipedia, Aves) als Zwischen- bzw. Endwirte ein. Aufgrund der hohen Befallszahlen u.a. in der Muskulatur und Viszera kommerziell intensiv genutzter Fischarten (z.B. Clupea harengus, Gadus morhua, Salmo salar) sowie ihrer Rolle als Auslöser der menschlichen Anisakiasis nehmen die Vertreter der Gattung Anisakis unter den anisakiden Nematoden eine Sonderstellung ein. Anhand der verbesserten Diagnostik und der Etablierung sowie Weiterentwicklung molekularbiologischer Methoden ist es in den letzten zwei Dekaden gelungen, die bestehende Taxonomie und Systematik der Gattung Anisakis zu erweitern bzw. zu revidieren. Aktuelle molekulare Analysen weisen auf die Existenz von insgesamt neun distinkten Arten hin, welche eine hohe genetische Heterogenität und Wirtsspezifität aufweisen, äußerlich jedoch nahezu identisch sind (sog. kryptische Arten). Trotz kontinuierlicher Forschung auf dem Gebiet ist das Wissen über die Biologie von Anisakis immer noch unzureichend.
Die vorliegende Dissertation ist in kumulativer Form verfasst und umfasst drei (ISI-) Einzelpublikationen. Die Zielsetzung der durchgeführten Studien bestand unter anderem darin, unter Verwendung molekularbiologischer und computergestützter Analyseverfahren, Fragestellungen zur Zoogeographie, (Co-)Phylogenie, Artdiagnostik, Lebenszyklus-Ökologie sowie des bioindikatorischen Potentials dieser Gattung zu bearbeiten und bestehende Wissenslücken zu schließen.
Die Verbreitung von Anisakis, welche bisher ausschließlich anhand von biogeographischen Einzelnachweisen abgeschätzt wurde, konnte durch den angewandten Modellierungsansatz erstmalig interpoliert und in Kartenform vergleichend dargestellt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Verbreitung von Anisakis spp. in den Ozeanen und Klimazonen nicht gleichmäßig ist. Die Analysen deuten auf die Existenz spezies-spezifischer horizontaler und vertikaler Verbreitungsmuster hin, welche neben abiotischen Faktoren durch die Verbreitung und Abundanz der jeweiligen Zwischen- und Endwirte sowie deren Tiefenverteilung und Nahrungspräferenzen geprägt sind.
Durch die umfangreiche Zusammenstellung und anschließende Kategorisierung der (mit molekularen Methoden) geführten Zwischenwirtsnachweise konnten indirekte Rückschlüsse über die vertikale Verbreitung von Anisakis spp. entlang der Tiefenhabitate gezogen werden.
Während Anisakis auf Gattungsebene in der gesamten Wassersäule entlang verschiedener Tiefenhabitate abundant ist, wurde für die stenoxene Art Anisakis paggiae ein meso-/bathypelagisch orientierter Lebenszyklus postuliert. Durch den Einbezug eines breiten Spektrums (paratenischer) Zwischen- und Transportwirte aus unterschiedlichen trophischen Ebenen werden Transmissionslücken im Lebenszyklus der Gattung weitestgehend minimiert und der Transmissionserfolg auf den Endwirt, und damit die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Reproduktion, erhöht. Ausgeprägte Wirtspräferenzen sowie phylogenetische Analysen des ribosomalen ITS-Markers stützen eine Theorie zur co-evolutiven Anpassung der Parasiten an ihre Endwirte. Anisakis eignet sich daher unter Einschränkungen als Bioindikator für die vertikale und horizontale Verbreitung und Abundanz der Endwirte und lässt Rückschlüsse auf trophische Interaktionen im Nahrungsnetz zu. Durch die weitere Beprobung von Zwischenwirten aus verschiedenen trophischen Ebenen in zukünftigen Studien, kann eine genauere Bewertung potentiell abweichender Lebenszyklus-Strategien gewährleistet werden. Insbesondere ist die Datenlage zur Prävalenz und Abundanz anisakider Nematoden in Cephalopoda und Crustacea noch unzureichend. Die Probennahme sollte dabei unter besonderer Berücksichtigung bislang wenig oder unbeprobter geographischer Regionen, Tiefenhabitate und Wirtsarten durchgeführt werden.
Panama, a small country between the major continents of North and South America, is one of the lesser studied regions in Central America, but is recognized for its mega-biodiversity. This is particularly true for Eastern Panama, which I am considering as the easternmost portion of the country, covering the area from the Chepo, which is also the beginning of the San Blas mountain range, towards east, up to the Darien Mountain range on the border with its neighboring country Colombia. In the lowland region I visited two physiographic areas: the Isthmian-Atlantic Moist Forests (IAMF) and the Chocó-Darién Moist Forests (CDMF). In the IAMF I worked at the localities of Río Mono, Wacuco, La Moneda, Arretí, Metetí, Filo del Tallo, and Laguna de Matusagaratí. In the CDMF I visited the localities of Cruce de Mono, Cana, Garachiné, Sambú, and Pavarandó. And I have worked in the highlands of Darién (DM), Majé (MM), Jingurudó-Sapo (JSM), Pirre (PM) and San Blas (SSM) in the highlands.
Before my research, 138 reptile and 104 amphibian species had been reported for EP. From 2008 to 2013, I collected specimens to evaluate the diversity of amphibians and reptiles for this region. I applied an integrative approach to evaluate the taxonomy, diversity, biogeography, and conservation of the herpetofauna of EP. I included analyses of morphometrics, molecular genetics (e.g. barcoding), biogeography, bioacoustics (in anurans), hemipenial morphology (in squamates), and ecology. This is the first regional evaluation of the biodiversity in EP applying integrative taxonomy. Aside from morphological and bioacoustic data, my work is based on the barcoding of 608 specimens, from which I obtained 16S mtDNA for 486 specimens and COI mtDNA for 455. In total I have got sequences for 69.2 %of the amphibian and 48.6 % of the reptile species present in EP. For the morphological analyses, I compared 1597 specimens, including my samples complemented by specimens obtained from various museums. The bioacoustic data were obtained from the analysis of 1504 calls of 27 species of frogs. Based on specimens collected in EP and according to external morphology, I could identify 65 species of amphibians and 72 reptiles, but after applying an integrative approach these numbers increased to 79 amphibians and 88 reptiles described species within my collected specimens. Additionally, I uncovered 33 taxonomic units that could not be assigned to any described species until now, 22 of them represent confirmed candidate species (CCS), and 11 were classified as Unconfirmed candidate species (UCS). Thus, increasing the known species of amphibian by 19.4 % and of reptiles by 4.8 %. Currently, there are 145 reptiles and 129 amphibians known to occur in EP. Based on my results, I have initiated several projects to solve taxonomic uncertanties, including the species of the genera Bolitoglossa, Diasporus, Dactyloa, Ecnomiohyla, Lepidoblepharis, and the taxonomic status of the species Pristimantis caryophyllaceus and Norops tropidogaster.
Out of the 22 CCS I found, I described nine species new to science with type locality in EP, six amphibians and four reptiles. Among these is a new species of Bolitoglossa described from Cerro Chucantí, Cordillera de Majé, Provincia de Darién, Panama. Additionally, I include comments on the other species of congeneric salamanders known to occur in the region. Among the tink frogs, only Diasporus quidditus was known to occur in EP. During my field work I collected six additional species of this genus, four of which are new to science, plus two species new for this region.
I also described one new species of Dactyloa (giant anole lizards) related to the former D. chocorum. I synonymized D. chocorum with D. purpurescens, and included information about the other species of the group from EP. The new species of Dactyloa resembles D. ibanezi, D. limon, and D. purpurescens in external morphology but differs from these species in dewlap coloration, dorsal color pattern, morphometrics, and scalation. I discovered one species of the genus Ecnomiohyla, which exhibits significant genetic distances (16S mtDNA gene) and morphological differences to all known Ecnomiohyla species. Along with the description of the new Ecnomiohyla species, I provide detailed comparisons of morphological and molecular characters of almost all members of the genus in Lower Central America, as well as an identification key for the entire genus. Two new species of the genus Lepidoblepharis from EP were described. In the corresponding work, I include an analysis of Lepidoblepharis spp. in the region, including phylogeography and taxonomy. One of the new species, Lepidoblepharis emberawoundule, can be differentiated from most species in the genus by its small size and its low number of lamellae under the fourth toe and finger. The other species described from EP, Lepidoblepharis rufigularis, can be differentiated from all species in the genus by its small size and the reddish throat in males.
Es wird davon ausgegangen, dass das ehemalige Larven-Mikrohabitat der Asiatische Tigermücke Aedes albopictus (synonym: Stegomyia albopicta) die Phytotelmata in den Waldgebieten von Südostasien darstellte. In den letzten vier Jahrzehnten adaptierte sich die Art jedoch an urbanere Regionen und ihre Antrotelmata. Dank ihrer Eigenschaft, Eier mit einer gewissen Trocken- und Kältetoleranz zu produzieren, verbreitete sich die Art zusammen mit den international gehandelten Waren weltweit. Zudem ist Ae. albopictus ein theoretischer Vektor für mindestens 27 Viren sowie Parasiten und spielt eine Hauptrolle bei der Übertragung von Dengue-Viren und Chikungunya-Viren und Zika-Vieren. Daher wird die Art als große Gefahr für die öffentliche Gesundheit betrachtet.
Die vorliegende Arbeit thematisiert drei Untersuchungen zum Anpassungs- und Etablierungs-potential der invasiven Asiatischen Tigermücke.
In einem ersten Ansatz wurde das Problem behandelt, dass es lediglich zwei standardisierte toxikologische Testverfahren für Culicidae gab. Daher wurde ein Dosis-Wirkungs-Testsystem entwickelt, das den Weg für weitere biologische Endpunkte und ihre integrativen Parameter freimachte und dadurch ein besseres Verständnis für die Wirkweisen von Insektiziden ermöglicht. Hierdurch konnte nun der Frage nachgegangen werden, ob es Unterschiede in der ökotoxikologischen Reaktion zwischen der invasiven tropisch-subtropischen Asiatischen Tigermücke und der einheimischen nördlichen Hausstechmücke Culex pipiens auf das Insektizid λ-Cyhalothrin gibt. Weiter wurde der Einfluss von Temperatur und die Verfügbarkeit von Nahrung auf die Insektizidsensitivitäten der Arten getestet. Schließlich konnte in einer Risikobewertung festgestellt werden, dass bei falsch angewendeten Bekämpfungsmaßnahmen höhere Temperaturen sowie der Ausfall von aquatischen Top-Prädatoren zu Fitnessvorteilen für die Art führen können.
In einer zweiten Untersuchung wurde der Mechanismus der Kältetoleranz der Eier (Kälteakklimatisierung und Diapause) näher untersucht, da dieser für die erfolgreiche Invasion in gemäßigten Breitengraden verantwortlich gemacht wird. Nachdem eine lang vorherrschende Hypothese verworfen wurde, dass die Einlagerung von Polyolen die Frosttoleranz bewirken würde, war der aktuelle Stand der Wissenschaft, dass eine Verdickung der Wachsschicht des Chorions dafür verantwortlich sei. Jedoch lag keine detaillierte Evaluierung von Stechmücken-Eihüllen vor. Mittels einer transmissionselektronenmikroskopischen Studie konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Wachsschicht nicht in der Serosa-Cuticula zu verorten ist, sondern im Endochorion und sie zudem im Zuge der Diapause in der Mächtigkeit schrumpft. Daher wird auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse auf eine Kompaktierung der Schicht geschlossen.
Die dritte Untersuchung schließlich hatte das hohe Adaptationspotential in gemäßigten Breiten zum Gegenstand. Eine Adaptation auf genetischen Level gilt als unwahrscheinlich, da Gründerpopulationen in den neu besiedelten Gebieten eine niedrige genetische Diversität aufwiesen und ein regelmäßiger Neueintrag von Allelen unwahrscheinlich ist. Jedoch bietet das Konzept der epigenetischen Temperatur-Adaptation einen Erklärungsansatz für dieses Phänomen. Daher wurde die Frage gestellt, ob es möglich ist, eine vererbbare Diversifizierung dieses kältetoleranten Phänotyps nach einer randomisierten epigenetischen Behandlung der DNA zu detektieren. Es wurde eine transgenerationale Untersuchung der Effekte von zwei epigenetischen Agenzien (und einem Lösemittel) auf die Kältetoleranz der Eier durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten ein Korrelationsmuster, das den durch die Agenzien veränderten Methylierungsgrad der DNA mit der Forsttoleranz verband, was die gestellte Hypothese unterstützte.
In Folge dieser drei Untersuchungen wurde festgestellt, dass Ae. albopictus ein hohes Potential hat, in weiteren Ländern – vor allem in gemäßigten Breiten – ein Gesundheitsrisiko darzustellen. Da die Art einerseits Fitnessvorteile durch falsche Bekämpfungsmaßnahmen und andererseits möglicherweise eine hohes epigenetisches Adaptationspotential besitzt, kann zusammenfassend empfohlen werden, dass der Fokus für weitere Forschung maßgeblich auf der Entwicklung von Impfstoffen für die übertragenen Viren und Pathogene liegen sollte. Dadurch kann die Bevölkerung geschützt werden, ohne Ökosysteme und ihre Dienstleistungen zu gefährden, und dies wäre zudem ökonomisch gesehen die effektivere Lösung.
Heutzutage unterliegen insbesondere aquatische Ökosysteme durch den permanenten Anstieg nicht-heimischer Arten einem folgenreichen Wandel. Dabei stellt der Biodiversitätsverlust nur den Endpunkt einer biologischen Invasion dar. Dazwischen wirken sich Faktoren wie Konkurrenz-, Prädationsdruck oder die Übertragung von Krankheitserregern wie z.B. Parasiten auf den Rückgang der Arten aus. Als integraler Bestandteil eines jeden Ökosystems spielen Parasiten bei Invasionsprozessen eine entscheidende Rolle und können durch ihren Einfluss auf heimische und nicht-heimischen Arten Invasionen begünstigen. Fische übernehmen aufgrund ihrer vielseitigen Bedeutung im Nahrungsnetz eine Schlüsselfunktion als Wirte diverser Parasitenarten und sind deshalb ausgezeichnete Untersuchungsobjekte, um durch nicht-heimische Arten verursachte Veränderungen in Nahrungsnetzstrukturen oder Parasitenfaunen aquatischer Ökosysteme aufzudecken.
Vor diesem Hintergrund wurde die vorliegende kumulative Dissertation angefertigt, welche auf drei (ISI-) Einzelpublikationen basiert. Die Arbeit beschäftigte sich unter Verwendung morphologischer und molekularbiologischer Methoden schwerpunktmäßig mit der Parasitendiversität und Nahrungsökologie zweier eingeschleppter Fischarten in stark anthropogen beeinflussten deutschen Fließgewässern. Dabei handelte es sich um die hauptsächlich durch das Ballastwasser von Schiffen verbreitete invasive Schwarzmundgrundel Neogobius melanostomus aus den Flüssen Rhein und Main sowie den von Hobby-Aquarianern in den durch Industrieabwässer thermisch belasteten Gillbach ausgesetzten Zebrabuntbarsch Amatitlania nigrofasciata. Unter Berücksichtigung nahrungsökologischer und räumlich-zeitlicher Aspekte sollten die parasitologischen Risiken und Konsequenzen, welche durch das Einschleppen nicht-heimischer Fischarten auftreten, aufgezeigt werden, um übergeordnet die Folgenabschätzung auf dem Gebiet der Invasionsbiologie zu verbessern. Das Nahrungsspektrum beider Fischarten wies sowohl räumliche (zwischen den Flüssen und Standorten), als auch zeitliche (monatlich) Variationen auf, was die Anpassungsfähigkeit bzw. die optimale Nutzung zur Verfügung stehender Ressourcen von invasiven Arten verdeutlicht. Ebenso wurden Unterschiede in der Parasitierung nachgewiesen, was die Notwendigkeit räumlicher und zeitlicher Analysen zur Erfassung der vollständigen Parasitenfauna einer invasiven Art, inklusive aller Variationen der Befallszahlen, unterstreicht. Beide Fischarten bilden zudem Zwischenwirte für heimische, als auch nicht-heimische Parasitenarten, wobei die direkte Einschleppung von nicht-heimischen Parasiten aus dem ursprünglichen Verbreitungsgebiet der Fische auszuschießen ist und somit die Enemy-Release-Hypothese (Verlust ursprünglicher Gegenspieler wie Prädatoren oder Parasiten) unterstützt. Dies könnte zusammen mit der opportunistischen Ernährungsweise ein Grund für die starke Ausbreitung sowie die anhaltend hohen Individuenzahlen dieser Arten im jeweils betrachteten Verbreitungsgebiet (Rhein, Main sowie Gillbach) sein.
Besonders hervorzuheben ist der Nachweis der nicht-heimischen Nematoden Anguillicoloides crassus und Camallanus cotti. Durch die Aufdeckung einer besonderen Form von Hyperparasitismus konnten erstmalig hohe Befallszahlen von A. crassus in N. melanostomus dokumentiert werden. Die hoch abundante Grundelart gilt somit potentiell als entscheidender Überträger des invasiven Parasiten auf den Europäischen Aal. Der durch seine hohe Virulenz in der Aquaristik bekannte C. cotti gelangte durch das Aussetzen von Zierfischen in den Gillbach und trat mit hohen Befallszahlen in A. nigrofasciata auf und wird bereits auf die heimische Fischfauna übertragen (z.B. auf den Gründling Gobio gobio und den Döbel Squalius cephalus). Ebenso ist der starke Befall der heimischen Parasiten Pomphorhynchus sp. (Acanthocephala) und Raphidascaris acus (Nematoda) bei N. melanostomus sowie A. anguillae (Acanthocephala) bei A. nigrofasciata zu nennen. Durch die zusätzliche Wirtfunktion der Neozoen und die hohen Befallsintensitäten ist mit einem verstärkten Spillback-Effekt (Rückinfizierung) auf heimische Fischarten zu rechnen.
Die stetig steigende Anzahl biologischer Invasionen führt zu immer weitreichenderen Veränderungen heimischer Ökosysteme. Für den Erhalt der Biodiversität sowie einhergehender Ökosystemfunktionen rückt auch die Forschung über Neobiota immer mehr in den Mittelpunkt. In diesem Zusammenhang gewinnen auch Pathogene wie Parasiten immer mehr an Bedeutung, welche durch gebietsfremde Arten eingeschleppt werden und die bestehende Biodiversität gefährden können. Die Ergebnisse der durchgeführten Studien haben gezeigt, dass die Verknüpfung von parasitologischen und nahrungsökologischen Untersuchungen Einblicke in die hoch dynamischen Prozesse der Invasionsbiologie geben können, was ein Vorantreiben der Forschung und Folgenabschätzungen auf diesem Gebiet ermöglicht.
The intensive use of the North Sea area through offshore activities, sand mining, and the spreading of dredged material is leading to increasing pollution of the ecosystem by chemicals such as hydrophobic organic contaminants (HOCs). Due to their toxicological properties and their ability to accumulate in the environment, HOCs are of particular concern. The contaminants partition between aqueous (pore water, overlying water) and solid phases (sediment, suspended particulate matter, and biota) within these systems. The accumulated contaminants in the sediment are of major concern for benthic organisms, who are in close contact with sediment and interstitial water. It is thus particularly important to better understand how contaminants interact with biota, as these animals may contribute to trophic transfer through the food web. Furthermore, sediments are a crucial factor for the water quality of aquatic systems. They not only represent a sink for contaminants but also determine environmental fate, bioavailability, and toxicity. The Marine Strategy Framework Directive (MSFD) was introduced to protect our marine environment across Europe and includes the assessment of pollutant concentrations in the total sediment, which, however, rarely reflects the actual exposure situation. The consideration of the pollutant concentrations in the pore water is not implemented, although this is needed for the evaluation of bioavailability and risk assessment. For this reason, special attention is given to further development, implementation, and validation of pollutant monitoring methods that can determine the bioavailable fraction in sediment pore water. For risk assessment purposes, it is furthermore important to use biological indicators in addition to classical analytics to determine the effect of pollutants on organisms. The main objective of this thesis was to gain insight into the pollution load and the potential risk of hydrophobic organic chemicals (HOCs) in the sediment of the North Sea and to evaluate these results with regard to possible risks for benthic organisms and the ecosystem. The following five aims are covered within these studies to gain a holistic assessment of sediment contamination:
1. Assessment of the pore water concentrations of PAHs and PCBs
2. Determination of the bioturbation potential by macrofauna analysis
3. Application of the SPME method on biological tissue
4. Assessment of recreated environmental mixtures in passive dosing bioassays
5. Development of SPME method for DDT in sediments
The thesis is comprised of three main studies supported by three additional studies ...
In this study I analysed past and recent Daphnia populations from Lake Constance and Greifensee. Herefore, I first established a set of microsatellite markers applicable to European Hyalodaphnia species (chapter 1). Primers were also identified for species specific fragment lengths. 32 markers were then available to characterize the resting egg banks of Daphnia galeata and D. hyalina. Chapter 2 presents the reconstruction of the taxonomic composition in these two ecologically different lakes. This part of my work shows that the eutrophication that occurred in both lakes in the mid of the last century has strongly influenced the Daphnia populations. In both lakes Daphnia galeata established and hybridized with the indigenous D. hyalina. Interspecific hybridization resulted in introgression on the mitochondrial and nuclear level. In chapter 3 resting eggs from the sediments of the 1960s, 1970s, 1980s, 1990s and 2000s were characterized with microsatellite markers. The aim was to specify the extent of interspecific hybridization and nuclear introgression assuming that the genetic exchange between both species has an impact on their adaptation to their habitat. In life history experiments D. galeata and D. galeata x hyalina clones hatched from different time periods showed significant differential responses to food quality. Therefore, the question had to be answered how the Daphnia resting egg bank and the planktonic population are connected. In chapter 4 hatching experiments were conducted to bridge this gap of scientific knowledge in the life cycle of cyclic parthenogenetic waterfleas. Only D. galeata individuals were able to establish a clonal lineage after maturity. All observed recombinant individuals did not reproduce at all or firstly went through another sexual phase of reproduction i.e. produced resting eggs. In order to compare the findings of chapter 4 with the taxon composition of the recent planktonic population of Daphnia in Lake Constance, samples were taken over one season (between May 2005 and September 2006). During the season, the taxonomic composition of Daphnia changes severely with D. galeata being most abundant during the warm season and D. hyalina in the cold season. Moreover, some individuals were detected, that did not follow this pattern. With mitochondrial analysis those individuals were identified as mitochondrial introgressants and processed to life history experiments. Significant differences in the somatic growth rate under different temperatures (5°C, 12.5°C and 20°C) were related to the origin of the mitochondrial genome rather than the nuclear taxonomic assignment of the individual.
The findings of this study show that all organisms exposed to rapid ecological changes and their microevolutionary reaction to those.
Municipal wastewater contains nutrients valuable for a reuse in agriculture and can be the source of a multitude of chemicals used in private households and industry, too. As many of these chemicals are incompletely degraded during wastewater treatment, their residues remain partly in sewage sludge and partly in treated wastewater. Concerns are linked particularly to the so called micropollutants, i.e. anthropogenic organic substances such as personal care products, pharmaceuticals and biocides, for which scarce data on their degradability and environmental fate and particularly on their ecotoxicity are available. Thus, when reusing treated wastewater and sewage sludge for irrigation or as soil amendment for a sustainable land and water management, these wastewater-borne pollutants may enter soil, groundwater and surface water. The present work therefore aimed at assessing potential ecotoxic effects on aquatic and terrestrial organisms of reusing treated wastewater and sewage sludge. To this end, established as well as newly developed experimental approaches were used to investigate the problem on several levels. Individual wastewater-borne substances, samples from field study sites and samples from a soil column experiment simulating prolonged wastewater irrigation were examined.
At the start of the experimental work, the ecotoxicity of climbazole was characterised towards five aquatic and five terrestrial test organisms. Climbazole is an azole antimycotic agent applied in cosmetics and anti-dandruff shampoos and was recently detected in relatively high concentrations in treated wastewater and sewage sludge. In the present work climbazole was found to be particularly toxic towards plants such as water lentils with effective concentrations comparable to those of agricultural azole fungicides. Dwarfism, that is reduced shoot elongation observed in plants, pointed at a specific, phytohormone inhibiting mode of action of climbazole. Furthermore, the expected influence of the soil pH on the phytotoxicity of climbazole was experimentally confirmed.
Based on the findings for climbazole, two additional azole antimycotics, ketoconazole and fluconazole, and the regularly in sewage sludge detected biocide benzyldimethyldodecyl-ammonium chloride (BDDA) were investigated for their toxicity towards plants.
In aqueous medium, an increasing phytotoxicity from fluconazole to BDDA, ketoconazole and climbazole was observed, while in soil, phytotoxicity increased from BDDA to ketoconazole, climbazole and fluconazole. The relatively low terrestrial toxicity of BDDA and ketoconazole probably resulted from their strong binding to soil as well as their good biodegradability. To render the exposure scenario more realistic, sewage sludge was co-applied with the four test substances in a parallel test run. However, as no detectable influence on their effective concentrations was found, it can be assumed that the current practice of assessing sewage sludge borne substances with biotests in standard soil is sufficiently realistic. In a further study, different advanced sludge-treatment technologies were assessed for their efficacy in reducing pollutants. Results from the present work indicated that effects assessed in terrestrial short term biotests only seldom correlated with the concentrations of certain pollutants. Rather, a negative correlation of the stability of the sludges, determined by the ratio of volatile to total solids, to their ecotoxicity was seen.
Another aspect of the present work was the design and performance of an experimental approach to assess the environmental risk of a long-term irrigation with treated wastewater concerning the quality of soil and water in a prospective way, i.e. before the installation at field scale. For the simulation of a continuous irrigation corresponding to approximately 30 years, a percolation apparatus was developed and four different soils were percolated with treated wastewater for three months. Acute and chronic biotests with nine test organisms from different trophic levels (green algae, water lentils and water fleas as well as oilseed rape, oats, bacteria, spring tails, enchytraeids and earthworms) were used to assess the soil percolates as well as the soils with and without percolation. These investigations were accompanied by a comprehensive chemical monitoring conducted by project partners. Results indicated that the soil passage, that is the percolation through the soil, generally improved the quality of the treated wastewater as habitat for aquatic organisms which was visible by a reduction of its phytotoxicity. However, in some cases it deteriorated the water quality, probably resulting from the leaching of metals from pre-contaminated soil. A deteriorated habitat quality of the soil after the percolation with treated wastewater was observed for several test organisms and soils. In the same, mainly peaty soils, the highest accumulation of wastewater-borne micropollutants and of zinc was measured. Yet, their concentrations did not correlate to the observed biological effects. Moreover, data on ecotoxicity were only available for a small fraction of the detected substances so that their concentrations could not successfully be used to predict expected biological effects.
The experimental approach used in the present work demonstrated to be an adequate tool to support the prospective evaluation of environmental risks of treated wastewater irrigation. Overall, it can be concluded that the reuse of treated wastewater on soil can improve the quality of treated wastewater but that this can come at the cost of deteriorating the quality of the soil. As these risks cannot be generalised, a comprehensive biotest battery as well as chemical analysis should be used to assess them on a case-specific basis for each respective wastewater and the respective soil.
Surface water can contain a complex mixture of organic micropollutants (i.e. residues of pharmaceuticals or biocides). Conventional wastewater treatment plants (WWTPs) do not completely remove a broad range of anthropogenic chemicals and therefore represent a leading point source. To upgrade WWTPs, technical solutions based on oxidative and sorptive processes have been developed and successfully implemented. Acknowledging these substantial advances, this thesis focuses on another key topic and aims to investigate whether improved biological treatment processes likewise effectively remove anthropogenic micropollutants from wastewater. The work conducted on this topic was part of two European research projects (ATHENE, ENDETECH).
The ATHENE project aimed to go beyond the state-of-the-art by developing biological wastewater treatment processes that exploit the full potential of biodegradation. With the objective to explore the potential of complementary strictly anaerobic conditions within the biological wastewater treatment, combinations of aerobic and anaerobic treatments on site of a WWTP were implemented. Based on pre-experiments, two promising treatment combinations were selected for a more comprehensive evaluation. An aerobic treatment was paired with an anaerobic pre-treatment under iron-reducing conditions, and an activated sludge treatment was combined with an anaerobic post-treatment under substrate-limiting conditions. For the evaluation of these processes, an effect-based assessment was applied and combined with chemical data of 31 selected target organic micropollutants as well as ten metabolites. To assess the removal of endocrine disrupting chemicals (EDCs), yeast based reporter gene assays covering seven receptor-mediated mechanisms of action including (anti-)estrogenicity, (anti-) androgenicity, retinoid-like, and dioxin-like activity were conducted. Furthermore, the removal of unspecific toxicity (Microtox assay) and oxidative stress response as a marker for reactive toxicity (AREc32 assay) were analyzed to cover micropollutants acting via a non-specific mechanism of action. Moreover, to assess toxicity of the whole effluent in vivo, standardized in vivo bioassays with four aquatic model species (Desmodesmus subspicatus, Daphnia magna, Lumbriculus variegatus, Potamopyrgus antipodarum) were performed.
The combination of aerobic and anaerobic treatments resulted in a low additional removal of the selected target organic micropollutants (by 14-17%). In contrast, the removal of endocrine and dioxin-like activities (by 17-75%) and non-specific in vitro toxicities (by 27-60%) was significantly enhanced. Compared to technical solutions (i.e. ozonation), the combination with an anaerobic pre-treatment under iron-reducing conditions was likewise effective in removing the estrogenic activity as well as the unspecific toxicity, whereas anti-androgenic activity and dioxin-like activity were less effectively removed. Exposure to effluents of the conventional activated sludge treatment did not induce adverse in vivo effects in the investigated aquatic model species. Accordingly, no further improvement in water quality could be observed. In conclusion, the combination of aerobic and anaerobic treatment processes significantly enhanced the removal of specific and non-specific in vitro toxicities. Thus, an optimization of the biological wastewater treatment can lead to a substantially improved detoxification. These capacities of a treatment technology can only be uncovered by complementary effect-based measurements.
The global objective of the ENDETECH project was to develop a biotechnological solution to eliminate recalcitrant pharmaceuticals in wastewater direct from sites, where high loads are expected (i.e. hospitals). For this purpose, laccase, an enzyme mainly found in wood decaying fungi, was immobilized on ceramic membranes for application in bioreactors. In a proof of principle experiment, the performance of immobilized laccase in removing a mixture of 38 antibiotics without and in combination with a natural mediator (syringaldehyde; SYR) was investigated. For the evaluation of the enzymatic membrane bioreactors, chemical data on the elimination of the selected target antibiotics was combined with the outcomes of two in vitro bioassays. Growth inhibition tests with an antibiotic sensitive Bacillus subtilis strain were conducted to assess the residual antibiotic activity of the effluents, and Microtox assays were performed to detect a potential formation of toxic by-products.
The treatment by laccase without SYR did not reduce the load of antibiotics significantly. In contrast, in combination with a SYR concentration of 10 µmol L-1, 26 out of 38 antibiotics were removed by >50% after 24 h treatment. Moreover, increasing the SYR concentration to 1000 µmol L-1 resulted in a further improvement of the antibiotic removal. 32 out of 38 antibiotics were removed by over 50%, whereby 17 were almost completely eliminated (>90%). However, the treatment with laccase in combination with SYR resulted in a time-dependent increase of unspecific toxicity. While SYR alone did not affect B. subtilis, the combination of laccase with SYR led to a strong time-dependent growth inhibition up to 100%. Similar to that, a time-dependent increase of unspecific toxicity in the Microtox assay was observed. In conclusion, the laccase-mediator process successfully degrades a broad spectrum of antibiotics and thus represents a promising technology to treat wastewater from sites, where high loads are expected. However, further research is required to reduce the formation of unspecific toxicity before an implementation of this technology can be considered.