Universiẗat, Diss., 2007--Köln.

University, Diss., 2003--Kiel.

Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Essen, 1997.

University, Diss., 2002--Kiel.

Die Eutrophierung von Fließgewässern führt besonders im Frühjahr zur Zunahme der Biomasse des benthischen Aufwuchses. Dies kann zur reduzierter Infiltration von Wasser in die Gewässersohle führen und wichtige Funktionen von Fließgewässerökosystems stören. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass invertebrate Weidegänger (Grazer) in der Lage sind die Biomasse des Aufwuchses in Fließgewässern effektiv zu reduzieren. Diese wichtige ökologische Funktion, das benthische Grazing, kann dazu beitragen negative Effekte der Eutrophierung in Fließgewässern zu kompensieren. Relevante invertebrate Grazer sind unter anderem die Larven der Eintagsfliege Rhithrogena semicolorata, die hohe Biomassen in Fließgewässern erreichen und eine hohe Spezialisierung auf Aufwuchs zeigen. Die Larven von R. semicolorata sind während ihres einjährigen Lebenszykluses Pestiziden ausgesetzt, welche ihre Entwicklung beeinträchtigen können. Um die Effekte von Pestiziden auf die Entwicklung dieser wichtigen Grazer zu untersuchen wurden drei Expositionsszenarien in Anlehnung an reale Bedingungen im Freiland untersucht. Das erste Szenario untersucht die Effekten einer Exposition mit dem Herbizid Terbutryn auf die Grazer-Aufwuchs-Interaktion, wie sie im Herbst und zeitigen Frühjahr anzutreffen ist. Terbutryn verursachte ab 6 µg/L eine deutliche Reduktion der Aufwuchsquantität, was indirekt das Wachstum und die Fettreserven der Grazer verringerte. Die Grazer zeigten ab 0,6 µg/L eine deutliche erhöhte Drift. Da bei dieser Konzentration noch keine Effekte auf die Aufwuchsbiomasse detektiert wurde, ist dies ein Indiz für verringerte Qualität des Aufwuchses. Insektzide werden verstärkt im Frühjahr ausgebracht und beeinflussen die Entwicklung der Grazer direkt. Das zweite Szenario untersuchte die Effekte des Insektizids lambda-Cyhalotrhin (LCH) auf die Grazer-Aufwuchs-Interaktion. LCH ist stark lipophil und adsorbiert schnell an organisches Material und Aufwüchse in Gewässer, weshalb es besonders für aufwuchsfressende Organismen bioverfügbar ist. Neben den erwarteten letalen Effekten wurden in Bereichen um 1 µg/g OC bereits subletale Effekte auf das Driftverhalten sowie das Wachstum der Grazer gefunden. Die Fettreserven waren ab ca. 0,01 µg/g OC reduziert, was auf verringerte Fraßaktivität in diesen niedrigen Konzentrationsbereichen schließen lässt. Die Analyse des Aufwuchses zeigte einen indirekt Effekt von LCH auf die Aufwuchsentwicklung, der einerseits auf die erhöhte Mortalität der Grazer aber auch auf LCH-induzierte Verhaltensänderungen zurückgeführt werden konnte. Das finale Szenario befasste sich mit den Effekten der kombinierten Exposition von Herbizid und Insektizid, wie sie im Lebenszyklus von R. semicolorata auftreten. Dabei zeigte sich entgegen der Erwartung keine erhöhte Mortalität durch die kombinierte Exposition. Die Ergebnisse weisen jedoch daraufhin, dass die Reduzierung der physiologischen Kondition der Grazer, durch die indirekten Effekte von Terbutryn, in subletalen Konzentrationsbereichen von LCH die Dauer bis zur Wiedererholung verlängert. Außerdem zeigte sich am Ende eine erhöhte Aufwuchsbiomasse, was eine reduzierte Leistung des Grazings durch die kombinierte Exposition indiziert. / The eutrophication of running water ecosystems leads especially in spring to an increase of benthic biofilms or aufwuchs, which reduces the infiltration of water into the river bed and, hence, disturb important ecological functions. Different studies already showed that invertebrate grazers of running water ecosystems are able to reduce the aufwuchs biomass effectively. This important ecological function, the benthic grazing, can therefore contribute to compensate the negative effects of eutrophication in lotic ecosystems. Relevant grazers are for instance the larvae of the mayfly Rhithrogena semicolorata, which reach high biomasses in streams and show a high feeding specialisation on aufwuchs. During their on year lasting life cycle the larvae of R. semicolorata are exposed to different pesticides, which can disturb their development. To evaluate the effects of pesticides on the development of this important grazer three exposition scenarios were performed following real exposure patterns from the environment. In the first scenarios the effects of a solely exposure with the herbicide Terbutryn on the grazer-aufwuchs-interaction was investigated, as it occurs preferably during autumn and spring. Terbutryn induced a clear reduction of aufwuchs quantity at 6 µg/L, which indirectly affected the growth and the energy storages of the grazers. Furthermore, the grazers showed an increased drift activity at 0.6 µg/L. Considering that the aufwuchs biomass was not affected at this low concentrations, the increased drift was interpreted as an indirect effect of reduced aufwuchs quantity. Inseciticides are preferably applied during spring and are able to disturb the development of grazers directly. The second scenario investigated therefore the effects of the insecticide lambda-Cyhalothrin (LCH) on the grazer-aufwuchs-interaction. LCH has a high lipophilicity and thus rapidly binds to organic matter or aufwuchs after entering aquatic ecosystems. This behaviour leads to a increased bioavailability of this substance to aufwuchs feeding organisms. Apart from the expected lethal effects, sublethal effects in form of increased drift and reduced grazer growth were found in a range of 1 µg/g OC LCH. Moreover, the energy storages of grazers were reduced at 0,01 µg/g OC, which is an indication of disturbed feeding behaviour at this low concentration. The analysis of the aufwuchs revealed additionally an indirect effect of LCH on the aufwuchs development, which was caused by increased grazer mortality and behavioural changes of the grazers induced by sublethal LCH concentrations. The final scenario aimed on the effects of a combined exposure of herbicide and insecticide, as it occurs during the life cycle of R. semicolorata. A increased mortality of grazers, due to the combinded exporsure, was not found. However, the results indicate that the reduction of the physiological condition by the indirect effect of Terbutryn extends the time until grazers recover from sublethal LCH exposure. Finally, also an increased aufwuchs biomass was found in treatments with combined exposure, indicating a reduced performance of grazers exposed to both substances.

Die Eutrophierung von Fließgewässern führt besonders im Frühjahr zur Zunahme der Biomasse des benthischen Aufwuchses. Dies kann zur reduzierter Infiltration von Wasser in die Gewässersohle führen und wichtige Funktionen von Fließgewässerökosystems stören. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass invertebrate Weidegänger (Grazer) in der Lage sind die Biomasse des Aufwuchses in Fließgewässern effektiv zu reduzieren. Diese wichtige ökologische Funktion, das benthische Grazing, kann dazu beitragen negative Effekte der Eutrophierung in Fließgewässern zu kompensieren. Relevante invertebrate Grazer sind unter anderem die Larven der Eintagsfliege Rhithrogena semicolorata, die hohe Biomassen in Fließgewässern erreichen und eine hohe Spezialisierung auf Aufwuchs zeigen. Die Larven von R. semicolorata sind während ihres einjährigen Lebenszykluses Pestiziden ausgesetzt, welche ihre Entwicklung beeinträchtigen können. Um die Effekte von Pestiziden auf die Entwicklung dieser wichtigen Grazer zu untersuchen wurden drei Expositionsszenarien in Anlehnung an reale Bedingungen im Freiland untersucht. Das erste Szenario untersucht die Effekten einer Exposition mit dem Herbizid Terbutryn auf die Grazer-Aufwuchs-Interaktion, wie sie im Herbst und zeitigen Frühjahr anzutreffen ist. Terbutryn verursachte ab 6 µg/L eine deutliche Reduktion der Aufwuchsquantität, was indirekt das Wachstum und die Fettreserven der Grazer verringerte. Die Grazer zeigten ab 0,6 µg/L eine deutliche erhöhte Drift. Da bei dieser Konzentration noch keine Effekte auf die Aufwuchsbiomasse detektiert wurde, ist dies ein Indiz für verringerte Qualität des Aufwuchses. Insektzide werden verstärkt im Frühjahr ausgebracht und beeinflussen die Entwicklung der Grazer direkt. Das zweite Szenario untersuchte die Effekte des Insektizids lambda-Cyhalotrhin (LCH) auf die Grazer-Aufwuchs-Interaktion. LCH ist stark lipophil und adsorbiert schnell an organisches Material und Aufwüchse in Gewässer, weshalb es besonders für aufwuchsfressende Organismen bioverfügbar ist. Neben den erwarteten letalen Effekten wurden in Bereichen um 1 µg/g OC bereits subletale Effekte auf das Driftverhalten sowie das Wachstum der Grazer gefunden. Die Fettreserven waren ab ca. 0,01 µg/g OC reduziert, was auf verringerte Fraßaktivität in diesen niedrigen Konzentrationsbereichen schließen lässt. Die Analyse des Aufwuchses zeigte einen indirekt Effekt von LCH auf die Aufwuchsentwicklung, der einerseits auf die erhöhte Mortalität der Grazer aber auch auf LCH-induzierte Verhaltensänderungen zurückgeführt werden konnte. Das finale Szenario befasste sich mit den Effekten der kombinierten Exposition von Herbizid und Insektizid, wie sie im Lebenszyklus von R. semicolorata auftreten. Dabei zeigte sich entgegen der Erwartung keine erhöhte Mortalität durch die kombinierte Exposition. Die Ergebnisse weisen jedoch daraufhin, dass die Reduzierung der physiologischen Kondition der Grazer, durch die indirekten Effekte von Terbutryn, in subletalen Konzentrationsbereichen von LCH die Dauer bis zur Wiedererholung verlängert. Außerdem zeigte sich am Ende eine erhöhte Aufwuchsbiomasse, was eine reduzierte Leistung des Grazings durch die kombinierte Exposition indiziert. / The eutrophication of running water ecosystems leads especially in spring to an increase of benthic biofilms or aufwuchs, which reduces the infiltration of water into the river bed and, hence, disturb important ecological functions. Different studies already showed that invertebrate grazers of running water ecosystems are able to reduce the aufwuchs biomass effectively. This important ecological function, the benthic grazing, can therefore contribute to compensate the negative effects of eutrophication in lotic ecosystems. Relevant grazers are for instance the larvae of the mayfly Rhithrogena semicolorata, which reach high biomasses in streams and show a high feeding specialisation on aufwuchs. During their on year lasting life cycle the larvae of R. semicolorata are exposed to different pesticides, which can disturb their development. To evaluate the effects of pesticides on the development of this important grazer three exposition scenarios were performed following real exposure patterns from the environment. In the first scenarios the effects of a solely exposure with the herbicide Terbutryn on the grazer-aufwuchs-interaction was investigated, as it occurs preferably during autumn and spring. Terbutryn induced a clear reduction of aufwuchs quantity at 6 µg/L, which indirectly affected the growth and the energy storages of the grazers. Furthermore, the grazers showed an increased drift activity at 0.6 µg/L. Considering that the aufwuchs biomass was not affected at this low concentrations, the increased drift was interpreted as an indirect effect of reduced aufwuchs quantity. Inseciticides are preferably applied during spring and are able to disturb the development of grazers directly. The second scenario investigated therefore the effects of the insecticide lambda-Cyhalothrin (LCH) on the grazer-aufwuchs-interaction. LCH has a high lipophilicity and thus rapidly binds to organic matter or aufwuchs after entering aquatic ecosystems. This behaviour leads to a increased bioavailability of this substance to aufwuchs feeding organisms. Apart from the expected lethal effects, sublethal effects in form of increased drift and reduced grazer growth were found in a range of 1 µg/g OC LCH. Moreover, the energy storages of grazers were reduced at 0,01 µg/g OC, which is an indication of disturbed feeding behaviour at this low concentration. The analysis of the aufwuchs revealed additionally an indirect effect of LCH on the aufwuchs development, which was caused by increased grazer mortality and behavioural changes of the grazers induced by sublethal LCH concentrations. The final scenario aimed on the effects of a combined exposure of herbicide and insecticide, as it occurs during the life cycle of R. semicolorata. A increased mortality of grazers, due to the combinded exporsure, was not found. However, the results indicate that the reduction of the physiological condition by the indirect effect of Terbutryn extends the time until grazers recover from sublethal LCH exposure. Finally, also an increased aufwuchs biomass was found in treatments with combined exposure, indicating a reduced performance of grazers exposed to both substances.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Beeinflussung der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenwasser, Interstitial und Grundwasser durch eutrophierungsbedingte Kolmationszyklen in einem anthropogen belasteten Fließgewässer (Lahn, Hessen) untersucht. Dabei wurden Mesokosmosexperimente und Freilanduntersuchungen an einer hyporhithralen Pool-Riffle-Sequenz miteinander kombiniert und die Ergebnisse vergleichend interpretiert. Im Rahmen der Arbeit wurde ein experimenteller Versuchsstand aufgebaut, der aus einer kontinuierlich durchströmten Sedimentsäule bestand und in einem mobilen Laborcontainer an der Lahn installiert war. Mit Hilfe dieses mesoskaliges Sedimentkörperexperimentes wurden jahreszeitliche Verlaufsmuster der inneren Kolmation analysiert, parametrisiert und mit physikalischen (Schwebstoffdynamik) und biologischen Kolmationskomponenten in Beziehung gesetzt. Besonderer Fokus lag dabei auf der Entwicklung des Periphytons, das in eutrophierten Fliessgewässern verstärkender Faktor der Kolmation werden kann. Ferner ließ sich mit dem aufgebauten Sedimentkörperexperiment der Einfluss von Kolmation auf Stoffumsetzungsprozesse (O2) im Interstitial modellhaft erfassen. In einem zweiten mesoskaligen Versuchsstand wurde die Bedeutung der hyporheischen Meiofauna für biogene Dekolmationsvorgänge (Fraß und Bioturbation) untersucht.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Beeinflussung der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenwasser, Interstitial und Grundwasser durch eutrophierungsbedingte Kolmationszyklen in einem anthropogen belasteten Fließgewässer (Lahn, Hessen) untersucht. Dabei wurden Mesokosmosexperimente und Freilanduntersuchungen an einer hyporhithralen Pool-Riffle-Sequenz miteinander kombiniert und die Ergebnisse vergleichend interpretiert. Im Rahmen der Arbeit wurde ein experimenteller Versuchsstand aufgebaut, der aus einer kontinuierlich durchströmten Sedimentsäule bestand und in einem mobilen Laborcontainer an der Lahn installiert war. Mit Hilfe dieses mesoskaliges Sedimentkörperexperimentes wurden jahreszeitliche Verlaufsmuster der inneren Kolmation analysiert, parametrisiert und mit physikalischen (Schwebstoffdynamik) und biologischen Kolmationskomponenten in Beziehung gesetzt. Besonderer Fokus lag dabei auf der Entwicklung des Periphytons, das in eutrophierten Fliessgewässern verstärkender Faktor der Kolmation werden kann. Ferner ließ sich mit dem aufgebauten Sedimentkörperexperiment der Einfluss von Kolmation auf Stoffumsetzungsprozesse (O2) im Interstitial modellhaft erfassen. In einem zweiten mesoskaligen Versuchsstand wurde die Bedeutung der hyporheischen Meiofauna für biogene Dekolmationsvorgänge (Fraß und Bioturbation) untersucht.

Kleine, flache Gewässer gelten als sogenannte „hotspots“ der Primärproduktion und Kohlenstoffbindung. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die Primärproduktion verschiedener kleiner Gewässer zu quantifizieren sowie die Mechanismen, die den Kohlenstoffkreislauf dieser Systeme beeinflussen, zu analysieren. Der Fokus liegt dabei auf dem Einfluss globaler Veränderungen, die diese Mechanismen verändern können Im ersten Abschnitt wurde die Primärproduktion (PP) in kleinen, temporären Söllen untersucht, die sehr anfällig für Störungen sind. Ich konnte zeigen, dass die PP der Sölle im Sommer außergewöhnlich hoch ist, was hauptsächlich auf eine hohe Makrophytenproduktion zurückzuführen ist Im zweiten Teil analysiere ich die Ergebnisse eines Experiments zum Einfluss erhöhter Temperaturen auf die benthische PP kleiner Gewässer im Frühjahr. Acht Mesokosmen wurden bei normalen und um 4°C erhöhten Wassertemperaturen gemäßigter Breiten betrieben. In der ersten Hälfte des Experiments konnte ich eine erhöhte benthische PP in den erwärmten Mesokosmen feststellen, die auf direkte Temperatureffekte und indirekte Auswirkungen einer höheren Nährstoffverfügbarkeit zurückzuführen war. Anfang Juni stieg jedoch der Einfluss der Makroinvertebraten auf das Periphyton in den erwärmten Mesokosmen, so dass keine Unterschiede in der PP mehr auftraten. Schließlich, untersuche ich die Resilienz eines Sees gegenüber einem plötzlichen Eintrag gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) aus dem terrestrischen Umland, der zu einer starken Braunfärbung des Wassers führte. Der Fokus liegt dabei auf Veränderungen der Wasserqualität und der aquatischen PP des Sees, nachdem sich die DOC-Konzentration verfünffacht hatte. Drei Jahren nach Erreichen der maximalen DOC- und Gesamt-Phosphor im See sanken diese signifikant, lagen jedoch noch immer 1,5- bzw. 2-fach oberhalb der Ausgangskonzentrationen vor dem DOC-Eintrag. Die benthische PP zeigte eine teilweise Erholung, erreichte jedoch ebenfalls nicht die Ausgangswerte. / Small, shallow freshwater ecosystems are now considered hotspots of primary production & carbon sequestration. Yet till recently they’ve been mostly neglected. This thesis aims at explaining the underlying mechanisms affecting carbon cycling in these systems, particularly focusing on how contemporary global changes alter ecological equilibria. In the first section, using a compartmental approach, I study primary production in small, temporary ponds (kettle holes) within agricultural fields that are highly susceptible to environmental & anthropogenic disturbances. I show that summertime gross primary production (GPP) in kettle holes is exceptionally high, mostly driven by a strong macrophyte production. In winter, periphyton contributes to the majority of the systems’ GPP. High summertime deposition, correlated to GPP, and low sediment mineralization rates, signified a high potential for carbon burial. In the second experiment, I test the impact of increased temperatures on periphyton production during spring. I use eight mesocosms running at normal & +4°C temperatures. Initially, I recorded elevated periphyton GPP in the warmed treatment driven by direct temperature effects & indirect effects of higher nutrient availability. By late spring, the trend is reversed due to increased grazing pressure in the warm treatment. In the third study, I investigate a lake’s resilience to a sudden brownification event: A 5-fold increase in dissolved organic carbon (DOC) concentrations. Within three years after peak brownification, the lake DOC & total phosphorous concentrations dropped significantly but seem to have plateaued at 1.5 & 2-fold their pre-brownification levels, respectively. Consequently, benthic GPP, which had collapsed due to light limitation at peak brownification, marked only a partial recovery, while phytoplankton (& whole-lake) GPP remained higher than pre-brownification levels. Phytoplankton & periphyton exhibited an inverse response to DOC & TP concentrations.