Aging is a multifaceted process of accumulation of damage and waste in cells and tissues; age-related changes in mitochondria and in respiratory metabolism have the focus of aging research for decades. Studies of aging in nematodes, flies and mammals all revealed age-related decline in respiratory functions, with somewhat controversial causative role. Here we investigated age-related changes in respiration rates, lactate/pyruvate ratio, a commonly used proxy for NADH/NAD+ balance, and mitochondrial membrane potential in 4 genotypes of an emerging model organism for aging research, a cyclic parthenogen Daphnia magna. We show that total body weight-adjusted respiration rate decreased with age, although this decrease was small in magnitude and could be fully accounted for by the decrease in locomotion and feeding activity. Neither total respiration normalized by protein content, nor basal respiration rate measured in anaesthetized animals decreased with age. Lactate/pyruvate ratio and mitochondrial membrane potential (∆Ψ) showed no age-related changes, with possible exceptions of ∆Ψ in epipodites (excretory and gas exchange organs) in which ∆Ψ decreased with age and in the optical lobe of the brain, in which ∆Ψ showed a maximum at middle age. We conclude that actuarial senescence in Daphnia is not caused by a decline in respiratory metabolism and discuss possible mechanisms of maintaining mitochondrial healthspan throughout the lifespan.

In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Bedeutung von Fettsäuren für Daphnien betrachtet. Für physiologische, ernährungs- und reproduktionsbiologische Untersuchungen wurden die Fettsäuren aus Daphnien, Seston bzw. Algen gaschromatographisch analysiert. Mit Daphnien wurde in batch- und Durchflusskulturen experimentiert. Aufgrund ihrer heterogenen Zusammensetzung enthielten sämtliche Sestonproben eine Vielzahl omega-6- und omega-3-Fettsäuren. Die durch die Veränderungen der Phytoplanktonzusammensetzung der Talsperre Bautzen und des Großen Vätersees (GV) zu erwartende Veränderungen der Fettsäuremuster des Sestons wurden nur selten gefunden. Gewässerspezifische Unterschiede der Fettsäuremuster konnten nicht nachgewiesen werden. Das Fettsäuremuster von Daphnien wird sehr stark von dem der aufgenommenen Nahrung bestimmt. Allerdings wird mit der Nahrung aufgenommene DHA vollständig in kürzer kettige omega-3-Fettsäuren umgewandelt. Dies stellt möglicherweise eine Anpassung an die Prädation durch Fische dar. Das Wachstum der juvenilen Daphnien war im GV 1998 während der gesamten Untersuchungszeit aufgrund qualitativer Eigenschaften der Nahrung limitiert. Jedoch konnte keine Fettsäure und auch kein weiterer bekannter Nahrungsqualitätsfaktor für die Limitation verantwortlich gemacht werden. Ob die Fettsäuren alpha-Linolensäure und/oder EPA die Transfereffektivität von Stoffen und Energie zwischen Seston und Daphnien beeinflussen, erscheint fraglich. Die Nahrungskonzentration und die Umgebungstemperatur bestimmen die Gelegegröße von Daphnien. Die saisonalen Veränderungen der spezifischen Fettsäurekonzentration adulter Daphnien [µg/Ind.] konnten im GV am besten durch Veränderungen der Dauer der Eientwicklungszeit und damit der Wassertemperatur erklärt werden. Die Daphnien hatten fast ausschließlich bei niedrigen Temperaturen große Gelege. / This work considers variable aspects on the implication of fatty acids for daphnids. Fatty acids from seston, algae, and daphnids were analysed by gas chromatography for investigations in respect to nutrition, physiology, and reproduction. Experiments with daphnids were carried out in batch and flow-through cultures. Due to their heterogenic composition, lake seston contained always a vast number of omega-6- and omega-3-fatty acids. Despite great differences in phytoplankton composition of Bautzen Reservoir and Lake Großer Väter, lake specific patterns of sestonic fatty acid composition were not detected. The fatty acid composition of daphnids is strongly influenced by their food. Nevertheless, nutritional DHA was transformed completely to shorter chained omega-3-fatty acids. This transformation is possibly an adaption against fish predation. The growth of juvenile daphnids was limited by food quality in Lake Großer Väter 1998. Neither fatty acids nor another known factor of food quality were responsible for this limitation. According to the results it seems questionable that alpha-linolenic acid and/or EPA are essential for daphnids. Further, it was demonstrated that food concentration and temperature determine clutch size in daphnids. In Lake Großer Väter the seasonal changes of specific fatty acid concentration [µg per individual] of adult daphnids could be explained by changes in the duration of egg development time which is determined by temperature. Large clutches were found nearly exclusively at low temperatures.

In der Studie wurde die Ernährung und die Verteilung von larvalen und juvenilen Stadien von Plötze (Rutilus rutilus (L.)) und Barsch (Perca fluviatilis L.) untersucht. Untersuchungsgewässer war der Feldberger Haussee, ein geschichteter eutropher Hardwassersee, der seit über 15 Jahren biomanipuliert wurde. Der Bestand an Barschen war in diesem Gewässer im gesamten Biomanipulationszeitraum sehr gering (< 1% der Gesamtfischbiomasse). Längerfristig stabilisiert, aus wissenschafticher Sicht, eine hoher Bestand an piscivoren Barschen die Effekte der Biomanipulation. Ziel der Untersuchung war daher die Überprüfung der Hypothese, dass das Vorhandensein von Konkurrenz um die Ressource Zooplankton zwischen den juvenilen Barsch und Plötzen für den geringen Barschbestand verantwortlich ist (PERSSON & GREENBERG 1990, PERSSON et al. 1991). Die Ergebnisse der Untersuchungen ließen sich in folgenden Punkten zusammenfassen: i) Der juvenile Barsch segregierte in der Hochsommer- bis Herbstperiode in eine spezielle Nahrungsnische. Die beiden Fischarten unterschieden sich deutlich bezogen auf die Art der bevorzugten Zooplankter (0+-Barsch vorwiegend Eudiaptomus, Diaphanosoma, Leptodora; 1+/2+-Plötzen fraßen Cladocerennahrung Bosmina und in hohen Anteilen auch Daphnia). Separation und Aufteilung der Zooplanktonresourcen konnte auch für die bevorzugte Größe der Zooplankter beobachtet werden. Die hohen Wachstumsraten und der gute Konditionszustand des juvenilen Barsches sowie das Fehlen von Wintermortalität ließen konkurrenzinduzierte Mortalität als Begründung für den geringen Bestand nicht glaubhaft erscheinen. ii) Die räuberbedingte saisonale Mortalität der juvenilen Barsche in der Hochsommer- bis Herbstperiode ließ sich bei den 0+-Barschen und 1+-Barschen jeweils auf bis zu 90% einschätzen. Dadurch wurde auch ein starker Jahrgang (wie 1997) innerhalb der ersten zwei Lebensjahre auf bis zu 99% reduziert. iii) Als Alternativhypothese wurde aus den Ergebnissen der Studie und den Bedingungen am Feldberger Haussee gefolgert, dass eine Kombination von langer zooplanktivorer Phase und einem hohen Bestand an effektiven pelagischen Piscivoren (wie Sander lucioperca L.) für den geringen Barschbestand verantwortlich ist. / In the study the feeding behaviour and distribution of larval and juvenile stages of roach (Rutilus rutilus (L.)) and perch (Perca fluviatilis L.) was examined. The object of the study was the Lake Haussee, an stratified eutrophic hardwater lake that was biomanipulated for more than fifteen years. Over the whole period of biomanipulation the portion of perch population did not reach the level of one percent of the total fish biomass. From the scientific point of the view, a high biomass of piscivorous perch may stabilize the effects of biomanipulation in the long run. The aim of the study was to evaluate the hypothesis of strong competitive interaction between juvenile roach and perch for zooplankton, which could be responsible for the minor population of perch in lakes (PERSSON & GREENBERG 1990, PERSSON et al. 1991). The results of the study can be summarised as follows: i) In the period of midsummer to autumn juvenile perch segregated to a special food niche. In comparison to 1+/2+-roach, which fed on cladocerans (e.g. Bosmina and a high portion of Daphnia), 0+-perch preferred Eudiaptomus, Diaphanosoma and Leptodora. Thus, partitioning and separation were also observed for size-selectivity. Furthermore, the high growth rates and the good state of condition of the young perch as well as the lack of winter mortality did not indicate a competitive-induced mortality in the Lake Haussee. ii) In the period of midsummer to autumn the predator-induced seasonal mortality of juvenile perch (groups like 0+/1+) was estimated nearly up to 90 percent. Thereby, also a strong age group (like 1997) of juvenile perch was reduced up to 99 percent within the first two years of life. iii) The results of this study supported an alternative hypothesis: the morphological conditions of Lake Haussee, a prolonged zooplanktivore period of juvenile perch in combination with a strong stock of an effective pelagic piscivore predator (like Sander lucioperca L.) are responsible for the low perch stock.

"Biomanipulation" was carried out in order to try and improve the water quality of six deep reservoirs situated in the catchment area of the River Wupper. All the reservoirs are deep, dimictic soft-water lake types, covering a range from oligo-/mesotrophic to eutrophic. Although changing the fishery management only by repeated fish stocking, in combination with implementating size and bag limits for recreational fisheries, is thought to have only limited success, we decided to put this type of "Biomanipulation" into practice. This whole-lake biomanipulation experiment, covering a time scale of more than ten years, aimed to address the following questions: 1. Is such a fishery-management strategy a useful water quality management tool in deep reservoirs, not only in maintaining but also in sustaining the best water quality conditions in relation to the given nutrient concentrations? 2. What are the underlying mechanisms? With the exception of the oligotrophic Große Dhünn Reservoir, "Biomanipulation" resulted in a shift of zooplankton body-size structure to larger daphnids in all the reservoirs. The underlying switch in the size shift from Daphnia cucullata to Daphnia galeata (Bever-Reservoir, Wupper-R, Lingese-R), or only in increasing individual body sizes of the Daphnia galeata population (Vorsperre Große Dhünn), occurred suddenly but only some years after the changes in fishery management were implemented. Our records of the fish stock suggest that indirect effects, presumably resulting from predator avoidance, must be a driving force. An increase of zooplankton body-size structure always resulted in an improvement in secchi-disk depth, often accompanied by a vertical restructuring of the water column favouring the development of metalimnetic algal populations. A decrease in summer chlorophyll concentrations in the trophogenic zone was only achieved in the slightly eutrophic reservoirs. This decrease in chlorophyll concentration was always accompanied by a decrease in the total phosphorus concentration in summer, while the total phosphorus concentration in spring remained unchanged. Thus, reduced P-availability, due to an increased vertical phosphorus flux, caused algal biomass to decline.These results support predictions from the size-efficiency hypothesis (Brooks & Dodson, 1965) but not those from the trophic cascade hypothesis (Carpenter et al., 1985). Undoubtedly the results underline the importance of indirect effects with respect to a successful "Biomanipulation" as predicted from the hypothesis of Biomanipulation Efficiency Threshold of P-loading (Benndorf, 1987). In summary, implementation of a correct fishery management strategy was shown to be a useful water quality management tool, not only in maintaining but also in sustaining the best water quality conditions, in relation to the given nutrient concentrations in these deep reservoirs. / In sechs Mittelgebirgstalsperren im Einzugsgebiet der Wupper erfolgte eine Umstellung der fischereilichen Bewirtschaftung mit dem Ziel, die Gewässergüte dieser Talsperren durch Absenkung der Zooplanktivorie zu verbessern und auf einem hohen Niveau zu stabilisieren. Vom Gewässercharakter her handelt es sich bei den Talsperren um klare tiefe Weichwasserseen, welche den oligo-/mesotrophen bis eutrophen Bereich abdecken. Die hier genutzte Methode einer ordnungsgemäßen fischereilichen Bewirtschaftung (Nahrungsnetzbewirtschaftung), welche sich zum Auf- und Umbau der Fischbestände auf Besatz- und Hegemaßnahmen stützt und dabei bewusst auf massive Eingriffe verzichtet, gelangte bisher nur in wenigen Fällen zur ausschließlichen Anwendung und wird allgemein als wenig erfolgversprechend eingestuft. Ziel dieser mehrjährigen Ökosystemuntersuchungen mit anwendungsorientiertem Ansatz ist eine Antwort auf die Frage nach der Praxistauglichkeit und den Grenzen des Instruments der Nahrungsnetzbewirtschaftung in Mittelgebirgstalsperren. Die Analyse der Ergebnisse versucht die zugrundeliegenden Mechanismen und Randbedingungen herauszuarbeiten, welche für die Wirkungsentfaltung der den Erfolg einer Nahrungsnetzbewirtschaftung tragenden Kräfte auf ökosystemarer Ebene verantwortlich sind. Mit Ausnahme der oligotrophen Großen Dhünn-Talsperre konnte in allen Gewässern eine adäquate Reaktion des Zooplanktons durch Umstellung der fischereilichen Bewirtschaftung erzielt werden. Im Einklang mit der Hypothese einer kritischen Schwelle der Planktivorie erfolgten die Reaktionen sprunghaft, aber erst nach mehreren Jahren und manifestieren sich durch einen "switch" von Daphnia cucullata zum größeren Daphnia galeata-Komplex (Bever-Talsperre, Wupper-T, Lingese-T), teils durch Körpergrößenzunahme des Daphnia galeata-Komplexes (Vorsperre Große Dhünn). Wie die Fischbestandsdaten nahe legen, kommt den indirekten, vermutlich aus einer Räuber-Vermeidungsreaktion resultierenden Effekten, hierbei eine Schlüsselposition zu. Parallel mit der Veränderung des Zooplankton-Größenspektrums kommt es stets zu einer Erhöhung der sommerlichen Sichttiefen, welche vielfach von einer vertikalen Neustrukturierung der Algenentwicklung im Wasserkörper begleitet ist. Eine Absenkung der sommerlichen Chlorophyll-Konzentrationen in der trophogenen konnte hingegen nur in den schwach eutrophen Talsperren beobachtet werden und war stets von einer erhöhten Absenkung der sommerlichen gegenüber den frühjährlichen Gesamtphosphor-Konzentrationen begleitet. Entsprechend muss die Absenkung der sommerlichen Chlorophyll-Konzentrationen auf eine erhöhte Phosphor-Sedimentation zurückgeführt werden.Die Ergebnisse der fischereilichen Bewirtschaftungsmaßnahmen stehen im Einklang mit den Vorhersagen der size-efficiency Hypothese (Brooks & Dodson, 1965), stützen aber nicht die Vorhersagen der trophic cascade Hypothese (Carpenter et al., 1985). Demgegenüber unterstreichen sie die Bedeutung indirekter Effekte, wie sie durch die These einer "Biomanipulationseffektivitätsschwelle der Phosphor-Belastung" (Benndorf, 1987) formuliert werden. Insgesamt erweist sich das Instrument der Nahrungsnetzbewirtschaftung als zwingender Baustein einer integrierten Wasserwirtschaft zur Sicherung der Gewässergüte in Mittelgebirgstalsperren, dessen soziökonomische Aspekte in der Arbeit angesprochen werden.

Die Gattung Daphnia nimmt eine zentrale Position im pelagischen Nahrungsnetz vieler Standgewässern (Seen, Talsperren) ein. Aufgrund hoher Filtrierleistungen sind Daphnien für das integrierte Gewässermanagement, z.B. im Rahmen einer Nahrungskettenmanipulation (Biomanipulation), von großem Interesse. Ihre relativ einfache Kultivierbarkeit machte sie außerdem zu einen weit verbreiteten Modellorganismus limnologischer Grundlagenforschung. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein umfassendes Modellsystem für die Gattung Daphnia zu entwickeln, das wesentliche Kenntnisse der Ökologie von Daphnia miteinander verknüpft, um eine Vernetzung des Wissens zu realisieren. Bestehende Modellansätze konnten diese Aufgabe nur unzureichend erfüllen, weil sie in der Regel einem "Problem-orientierten Ansatz" folgen und somit sehr unterschiedliche inhaltliche Ausrichtungen und verschiedene Modellstrukturen aufweisen. Eine Kopplung bzw. ein direkter Vergleich dieser Modelle ist deshalb in der Regel schwierig. Dieses Modellsystem wurde entwickelt, um ein Instrument zur Synthese des vorhandenen Prozesswissens bereitzustellen, und nicht, um ein spezifisches, abgegrenztes Problem zu bearbeiten; es steht somit diametral zu existierenden Ansätzen. Aus diesem Grunde wird der gewählte Ansatz als ein "Spezies-orientierter Ansatz" bezeichnet. Drei Eigenschaften charakterisieren diesen Ansatz. (i) Das Modellsystem umfasst mehrere hierarchische Ebenen biologischer Organisation, wobei der Schwerpunkt auf den Ebenen des Individuums und der Population liegt. Interaktionen zwischen diesen Organisationsebenen sind ausgeprägt und in Feld- und Laborstudien gut belegt, in existierenden Modellen aber noch unzureichend miteinander verknüpft. (ii) Da eine quantitative Interpretation der Ergebnisse beabsichtigt ist, wurden die Modellausgaben einer umfangreichen Validation an unabhängigen und bereits publizierten Daten unterzogen. (iii) Das Modellsystem zeichnet sich durch einen geschachtelten Aufbau aus (nested design), wodurch eine einfache Erweiterbarkeit des Modells oder auch die separate Anwendung bestimmter Modellkomponenten gewährleistet ist. / The scope of this thesis was to develop a comprehensive model system of the genus Daphnia, a key organism in the pelagic food web of lakes and reservoirs and a widely used model organism in experimental and theoretical ecology. Although its central role in applied and basic research in aquatic ecology is obvious, there are still fundamental problems in modelling the observed dynamics of Daphnia (for details see chapter 2). Therefore, a basic motivation of this work was to use scientific results obtained in independently conducted research for developing a model that brings these results into context. Instead of following a "problem-oriented" paradigm applicable to a single, well defined problem or scientific hypothesis, the underlying concept of the emerging model system was considered to be "species-oriented". Thus, various relevant processes are included into the framework in order to simulate the dynamics of daphnids displayed on different levels of biological organization. To facilitate its application to various problems in ecological research on the genus Daphnia, the model system fulfills the following three important properties: (1) model outputs are thoroughly validated on experimental data in order to guarantee sound quantitative outputs of the model system (2) the system spans over different levels of biological organization with special emphasis laid upon the individual level and the population level (3) the model´s architecture follows a nested design with a defined individual level model that is integrated into a population level model The whole model system is able to describe an individual´s development over time on basis of physiological properties of the organism and, furthermore, how these individual level processes interact with the dynamics on the population level. Due to its nested design, applications of separate submodels (e.g. the individual-level model) are possible.

"Biomanipulation" was carried out in order to try and improve the water quality of six deep reservoirs situated in the catchment area of the River Wupper. All the reservoirs are deep, dimictic soft-water lake types, covering a range from oligo-/mesotrophic to eutrophic. Although changing the fishery management only by repeated fish stocking, in combination with implementating size and bag limits for recreational fisheries, is thought to have only limited success, we decided to put this type of "Biomanipulation" into practice. This whole-lake biomanipulation experiment, covering a time scale of more than ten years, aimed to address the following questions: 1. Is such a fishery-management strategy a useful water quality management tool in deep reservoirs, not only in maintaining but also in sustaining the best water quality conditions in relation to the given nutrient concentrations? 2. What are the underlying mechanisms? With the exception of the oligotrophic Große Dhünn Reservoir, "Biomanipulation" resulted in a shift of zooplankton body-size structure to larger daphnids in all the reservoirs. The underlying switch in the size shift from Daphnia cucullata to Daphnia galeata (Bever-Reservoir, Wupper-R, Lingese-R), or only in increasing individual body sizes of the Daphnia galeata population (Vorsperre Große Dhünn), occurred suddenly but only some years after the changes in fishery management were implemented. Our records of the fish stock suggest that indirect effects, presumably resulting from predator avoidance, must be a driving force. An increase of zooplankton body-size structure always resulted in an improvement in secchi-disk depth, often accompanied by a vertical restructuring of the water column favouring the development of metalimnetic algal populations. A decrease in summer chlorophyll concentrations in the trophogenic zone was only achieved in the slightly eutrophic reservoirs. This decrease in chlorophyll concentration was always accompanied by a decrease in the total phosphorus concentration in summer, while the total phosphorus concentration in spring remained unchanged. Thus, reduced P-availability, due to an increased vertical phosphorus flux, caused algal biomass to decline.These results support predictions from the size-efficiency hypothesis (Brooks & Dodson, 1965) but not those from the trophic cascade hypothesis (Carpenter et al., 1985). Undoubtedly the results underline the importance of indirect effects with respect to a successful "Biomanipulation" as predicted from the hypothesis of Biomanipulation Efficiency Threshold of P-loading (Benndorf, 1987). In summary, implementation of a correct fishery management strategy was shown to be a useful water quality management tool, not only in maintaining but also in sustaining the best water quality conditions, in relation to the given nutrient concentrations in these deep reservoirs. / In sechs Mittelgebirgstalsperren im Einzugsgebiet der Wupper erfolgte eine Umstellung der fischereilichen Bewirtschaftung mit dem Ziel, die Gewässergüte dieser Talsperren durch Absenkung der Zooplanktivorie zu verbessern und auf einem hohen Niveau zu stabilisieren. Vom Gewässercharakter her handelt es sich bei den Talsperren um klare tiefe Weichwasserseen, welche den oligo-/mesotrophen bis eutrophen Bereich abdecken. Die hier genutzte Methode einer ordnungsgemäßen fischereilichen Bewirtschaftung (Nahrungsnetzbewirtschaftung), welche sich zum Auf- und Umbau der Fischbestände auf Besatz- und Hegemaßnahmen stützt und dabei bewusst auf massive Eingriffe verzichtet, gelangte bisher nur in wenigen Fällen zur ausschließlichen Anwendung und wird allgemein als wenig erfolgversprechend eingestuft. Ziel dieser mehrjährigen Ökosystemuntersuchungen mit anwendungsorientiertem Ansatz ist eine Antwort auf die Frage nach der Praxistauglichkeit und den Grenzen des Instruments der Nahrungsnetzbewirtschaftung in Mittelgebirgstalsperren. Die Analyse der Ergebnisse versucht die zugrundeliegenden Mechanismen und Randbedingungen herauszuarbeiten, welche für die Wirkungsentfaltung der den Erfolg einer Nahrungsnetzbewirtschaftung tragenden Kräfte auf ökosystemarer Ebene verantwortlich sind. Mit Ausnahme der oligotrophen Großen Dhünn-Talsperre konnte in allen Gewässern eine adäquate Reaktion des Zooplanktons durch Umstellung der fischereilichen Bewirtschaftung erzielt werden. Im Einklang mit der Hypothese einer kritischen Schwelle der Planktivorie erfolgten die Reaktionen sprunghaft, aber erst nach mehreren Jahren und manifestieren sich durch einen "switch" von Daphnia cucullata zum größeren Daphnia galeata-Komplex (Bever-Talsperre, Wupper-T, Lingese-T), teils durch Körpergrößenzunahme des Daphnia galeata-Komplexes (Vorsperre Große Dhünn). Wie die Fischbestandsdaten nahe legen, kommt den indirekten, vermutlich aus einer Räuber-Vermeidungsreaktion resultierenden Effekten, hierbei eine Schlüsselposition zu. Parallel mit der Veränderung des Zooplankton-Größenspektrums kommt es stets zu einer Erhöhung der sommerlichen Sichttiefen, welche vielfach von einer vertikalen Neustrukturierung der Algenentwicklung im Wasserkörper begleitet ist. Eine Absenkung der sommerlichen Chlorophyll-Konzentrationen in der trophogenen konnte hingegen nur in den schwach eutrophen Talsperren beobachtet werden und war stets von einer erhöhten Absenkung der sommerlichen gegenüber den frühjährlichen Gesamtphosphor-Konzentrationen begleitet. Entsprechend muss die Absenkung der sommerlichen Chlorophyll-Konzentrationen auf eine erhöhte Phosphor-Sedimentation zurückgeführt werden.Die Ergebnisse der fischereilichen Bewirtschaftungsmaßnahmen stehen im Einklang mit den Vorhersagen der size-efficiency Hypothese (Brooks & Dodson, 1965), stützen aber nicht die Vorhersagen der trophic cascade Hypothese (Carpenter et al., 1985). Demgegenüber unterstreichen sie die Bedeutung indirekter Effekte, wie sie durch die These einer "Biomanipulationseffektivitätsschwelle der Phosphor-Belastung" (Benndorf, 1987) formuliert werden. Insgesamt erweist sich das Instrument der Nahrungsnetzbewirtschaftung als zwingender Baustein einer integrierten Wasserwirtschaft zur Sicherung der Gewässergüte in Mittelgebirgstalsperren, dessen soziökonomische Aspekte in der Arbeit angesprochen werden.

Die Gattung Daphnia nimmt eine zentrale Position im pelagischen Nahrungsnetz vieler Standgewässern (Seen, Talsperren) ein. Aufgrund hoher Filtrierleistungen sind Daphnien für das integrierte Gewässermanagement, z.B. im Rahmen einer Nahrungskettenmanipulation (Biomanipulation), von großem Interesse. Ihre relativ einfache Kultivierbarkeit machte sie außerdem zu einen weit verbreiteten Modellorganismus limnologischer Grundlagenforschung. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein umfassendes Modellsystem für die Gattung Daphnia zu entwickeln, das wesentliche Kenntnisse der Ökologie von Daphnia miteinander verknüpft, um eine Vernetzung des Wissens zu realisieren. Bestehende Modellansätze konnten diese Aufgabe nur unzureichend erfüllen, weil sie in der Regel einem "Problem-orientierten Ansatz" folgen und somit sehr unterschiedliche inhaltliche Ausrichtungen und verschiedene Modellstrukturen aufweisen. Eine Kopplung bzw. ein direkter Vergleich dieser Modelle ist deshalb in der Regel schwierig. Dieses Modellsystem wurde entwickelt, um ein Instrument zur Synthese des vorhandenen Prozesswissens bereitzustellen, und nicht, um ein spezifisches, abgegrenztes Problem zu bearbeiten; es steht somit diametral zu existierenden Ansätzen. Aus diesem Grunde wird der gewählte Ansatz als ein "Spezies-orientierter Ansatz" bezeichnet. Drei Eigenschaften charakterisieren diesen Ansatz. (i) Das Modellsystem umfasst mehrere hierarchische Ebenen biologischer Organisation, wobei der Schwerpunkt auf den Ebenen des Individuums und der Population liegt. Interaktionen zwischen diesen Organisationsebenen sind ausgeprägt und in Feld- und Laborstudien gut belegt, in existierenden Modellen aber noch unzureichend miteinander verknüpft. (ii) Da eine quantitative Interpretation der Ergebnisse beabsichtigt ist, wurden die Modellausgaben einer umfangreichen Validation an unabhängigen und bereits publizierten Daten unterzogen. (iii) Das Modellsystem zeichnet sich durch einen geschachtelten Aufbau aus (nested design), wodurch eine einfache Erweiterbarkeit des Modells oder auch die separate Anwendung bestimmter Modellkomponenten gewährleistet ist. / The scope of this thesis was to develop a comprehensive model system of the genus Daphnia, a key organism in the pelagic food web of lakes and reservoirs and a widely used model organism in experimental and theoretical ecology. Although its central role in applied and basic research in aquatic ecology is obvious, there are still fundamental problems in modelling the observed dynamics of Daphnia (for details see chapter 2). Therefore, a basic motivation of this work was to use scientific results obtained in independently conducted research for developing a model that brings these results into context. Instead of following a "problem-oriented" paradigm applicable to a single, well defined problem or scientific hypothesis, the underlying concept of the emerging model system was considered to be "species-oriented". Thus, various relevant processes are included into the framework in order to simulate the dynamics of daphnids displayed on different levels of biological organization. To facilitate its application to various problems in ecological research on the genus Daphnia, the model system fulfills the following three important properties: (1) model outputs are thoroughly validated on experimental data in order to guarantee sound quantitative outputs of the model system (2) the system spans over different levels of biological organization with special emphasis laid upon the individual level and the population level (3) the model´s architecture follows a nested design with a defined individual level model that is integrated into a population level model The whole model system is able to describe an individual´s development over time on basis of physiological properties of the organism and, furthermore, how these individual level processes interact with the dynamics on the population level. Due to its nested design, applications of separate submodels (e.g. the individual-level model) are possible.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Ce travail a pour objectif d’explorer les altérations de l’ADN et leurs conséquences potentielles pour les traits d’histoire de vie (survie, croissance et reproduction) d’un invertébré aquatique, Daphnia magna exposé à l’uranium appauvri. La démarche expérimentale vise à évaluer l’accumulation et la transmission des altérations de l’ADN suite à une exposition sur deux générations successives (F0 et F1). Différents scénarios d’exposition mis en place pour tester la sensibilité spécifique de divers stades de vie. Lors d’expositions continue et post-éclosion, les résultats mettent en évidence une accumulation et une transmission des dommages à l’ADN au fil des générations en parallèle de la sévérité des effets. Les altérations de l’ADN sont reportées dès l’éclosion de F1 dès 2 µg.L 1. Les effets sur la croissance et la reproduction sont plus sévères lorsque le stade embryonnaire est exposé et restent visibles dès 9,9 µg.L-1 malgré un retour en milieu non contaminé à l’éclosion. Les résultats suggèrent que les dommages à l’ADN pourraient être des indicateurs précoces de futurs effets sur les traits d’histoire de vie. Une analyse mécanistique des résultats expérimentaux est conduite à l’aide du modèle DEBtox afin de mieux cerner les causes de l’aggravation des effets au cours des générations. Un modèle à deux facteurs de stress (l’un corrélé à la concentration d’exposition et l’autre à un niveau de dommages) est développé. Les ajustements suggèrent l’implication d’un second mode d’action (une augmentation des coûts de croissance et de maturation) pour expliquer les effets immédiats de l’uranium sur la nutrition et les conséquences des dommages accumulés au fil des générations. / This PhD work explored how depleted uranium alters DNA and affects life history traits (survival, growth and reproduction) of an aquatic invertebrate, Daphnia magna. An experimental study is performed to evaluate DNA accumulation and transmission during an uranium exposure over two successive generations (F0 and F1). Different exposures scenarios are achieved to test the specific sensitivity of several life stages to uranium. Genotoxic effects are estimated using random amplified DNA technique combined with PCR. In continuous and post-hatching exposure scenarios, results highlighted an accumulation and a transmission of DNA damage across generations with an increase in effect severity. DNA alterations are reported at hatching of F1 at 2 µg L-1. Effects on growth and reproduction are stronger when the embryo stage is exposed and remain visible at 9.9 µg L-1 despite a return in a clean medium at hatching. Results suggest that DNA damage could be used as early indicators of future effects on life history traits. A mechanistic analysis of experimental results is conducted using a DEBtox model to better understand the causes of the increase in effect severity across generations. A model with two stress factors (one correlated to external concentration and another correlated to a damage level) is developed. Results of fits suggest the involvement of one second mode of action (increase in costs for growth and maturation) to explain immediate effects of uranium on nutrition and consequences of cumulated damage across generations.

O crescimento das cidades sem planejamento adequado tem como consequências a ampla geração e incorreta destinação de resíduos sólidos e líquidos e a falta de esgotamento sanitário adequado, resultando em impactos negativos ao meio ambiente e aos corpos hídricos. O esgoto doméstico é composto predominantemente por matéria orgânica, além de nitrogênio, fósforo, organismos patogênicos e elementos potencialmente tóxicos (e.g.: fármacos), que podem ou não ser removidos nas estações de tratamento de esgoto. Esse efluente final (esgoto tratado), é encaminhado para o corpo receptor, normalmente um rio ou córrego. Quando não removidos durante os processos de tratamento, os compostos remanescentes no esgoto podem causar alterações físicas, químicas e principalmente biológicas nos corpos receptores. Entre as principais alterações biológicas destaca-se a perda de biodiversidade aquática presente no corpo hídrico receptor. O presente trabalho avaliou o possível impacto ambiental causado pelo efluente final de Estação de Tratamento de Esgoto (E.T.E.) em corpos hídricos receptores por meio de testes ecotoxicológicos. Foram selecionadas três estações de tratamento de esgoto, as quais foram avaliadas. Foram coletadas amostras do afluente bruto (P0), efluente final (P1), um ponto a montante (P2) e um ponto a jusante (P3) da mistura do esgoto com o corpo receptor de cada estação. Foram realizados ensaios de toxicidade aguda utilizando as espécies de invertebrados aquáticos Daphnia magna, Chironomus sancticaroli, Allonais inaequalis. Os organismos foram expostos às amostras coletadas para avaliação da sobrevivência. Para a E.T.E. 1, foi constatado adequada eficiência de remoção de toxicidade do esgoto quando comparado o afluente bruto ao efluente tratado, e não foram observados impactos do lançamento do efluente no corpo receptor. A E.T.E. 2, mostrou baixa eficiência de remoção de toxicidade do afluente bruto para o efluente tratado, refletindo em potencial tóxico a longo prazo ao corpo receptor. Da mesma forma, a E.T.E. 3 se mostrou ineficiente para remoção de toxicidade do afluente bruto para o efluente tratado, que refletiu em potencial tóxico ao corpo receptor em longo prazo. De acordo com os resultados obtidos no presente estudo, ressalta-se a importância da utilização de testes ecotoxicológicos como complementação aos parâmetros físicos e químicos exigidos pela legislação para avaliação da eficiência de remoção de contaminantes presentes no esgoto e que possuem potencial para geração de impacto a curto ou longo prazo à biota aquática presente no corpo hídrico receptor. / The increase of cities, without adequate planning, results in the wide generation and incorrect destination of solid and liquid wastes and the lack of adequate sanitary structure, resulting in negative impacts on the environment. Domestic sewage is composed predominantly of organic matter, in addition to nitrogen, phosphorus, pathogenic organisms and potentially toxic elements (e.g., drugs), which may or may not be removed at sewage treatment plants. This final effluent (treated sewage) is conveyed to water bodies, usually a river or stream. When not removed during the treatment processes, the remaining compounds in the sewage can cause physical, chemical and especially biological changes in the water bodies. Among the main biological changes is the loss of aquatic biodiversity present in the receiving water body. Thus, the present study evaluated the possible environmental impact caused by the final effluent from Sewage Treatment Plant (S.T.P.) in receiving water bodies by means of ecotoxicological tests. Three sewage treatment stations were selected. Samples of the raw tributary (P0), final effluent (P1) and the upstream (P2) and downstream (P3) points of the sewage mixture with the receiving body of each station were collected. Acute tests were carried out using the aquatic species Daphnia magna, Chironomus sancticaroli, Allonais inaequalis. The organisms were exposed to the samples collected for evaluation of survival in acute tests. For E.T.E. 1, it was found good toxicity removal efficiency of the station when comparing the raw affluent to the treated effluent, and no impacts of effluent release on the receiving body were observed. E.T.E. 2, showed low toxicity removal efficiency from the raw affluent to the treated effluent, reflecting long term toxic potential to the water body. Likewise, E.T.E. 3 was shown to be inefficient to remove toxicity from the raw affluent to the treated effluent, which reflected toxic potential to the water body in long term. According to the results obtained in the present study, the importance of the use of ecotoxicological tests as complementation of the physical and chemical parameters required by the legislation to evaluate the efficiency of removal of pollutants present in the sewage that have potential to generate impact in the short or long term to aquatic biota present in the body water recipient.