Die Wasserknappheit wird aufgrund des Klimawandels voraussichtlich häufiger und intensiver auftreten, wodurch die Wasserkonkurrenz zunimmt und die Nahrungsmittelproduktion gefährdet wird. Höhere Temperaturen und längere Dürren können auch die Wasserverfügbarkeit der Tierhaltung beeinflussen. In Folge dessen kann es zu einer Verringerung des Futterangebots und damit zu einer Beeinträchtigung der Produktion kommen. Auch aus diesem Grund sind nachhaltige und resiliente Produktionssysteme erforderlich, um den Nahrungsmittelbedarf einer wachsenden Bevölkerung zu decken. Auf Pflanzenproduktion und Tierhaltung entfallen 72 % der weltweit entnommenen Wassermenge. Der Löwenanteil des Wasserbedarfs in der Tierhaltung besteht bei der Futtermittelproduktion. Weiterhin wird Wasser für die Trinkwasserbereitstellung sowie für die Reinigung und die Kühlung der Ställe benötigt. Tierproduktionssysteme müssen zukünftig mit betrieblichen Maßnahmen die Wasserressourcen besser ausnutzen. Die Steigerung der Wasserproduktivität in der Pflanzenproduktion und der Tierhaltung durch eine integrierte Bewirtschaftung und Steuerung der eingesetzten Wasserressourcen sind hierfür von entscheidender Bedeutung. Die Wasserproduktivität beschreibt das Verhältnis von Output zu Input: das Verhältnis von Output (z. B. kg Milch) zu produktivem Wasserinput (z. B. m³ Transpiration). Das Wasserinput umfasst den direkten Wassereinsatz und den indirekten Wassereinsatz, z.B. für zugekaufte Futtermittel. Die Ermittlung der Wasserproduktivität wird vor allem bei der Bewertung von landwirtschaftlichen Maßnahmen zur Verbesserung des Niederschlags- und technischen Wassereinsatzes in der Tier- und Pflanzenproduktion benötigt. Zur Steigerung der Wasserproduktivität und auch um die Umweltwirkungen der Tierhaltungssysteme zu verringern, bedarf es einheitlicher Methoden. Im Jahr 2019 hat die Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) mit dem Livestock Environmental Assessment and Performance (LEAP) Partnership Richtlinien für die Bewertung der Wassernutzung in Tierproduktionssystemen und zugehöriger Lieferketten veröffentlicht. Zielsetzung ist die Ermittlung der Wasserflüsse auf betrieblicher Ebene, um einerseits die Wasserproduktivität zu ermitteln und andererseits den Beitrag der Tierhaltung zu einer möglichen Wasserknappheit zu bewerten. In dieser kumulativen Dissertationen werden die Ergebnisse der ersten Anwendung dieser Leitlinien der FAO in landwirtschaftliche Betriebe in Brasilien vorgestellt. In referierten Fachzeitschriften wurden bereits drei Originalarbeiten veröffentlicht. Im Rahmen der drei Veröffentlichungen wurde die Wasserproduktivität wurde für 115 Betriebe (Schweine-, Geflügel- und Milchviehbetriebe) im Einzugsgebiet des Lajeado Tacongava in Südbrasilien berechnet, wobei die Auswirkungen der Viehzucht auf die Wasserknappheit bewertet wurden. Die Ergebnisse der ersten und zweiten bereits veröffentlichten Originalarbeiten zeigen den großen Einfluss von Futtermitteln auf die Wasserproduktivität tierischer Erzeugnisse. Die Ergebnisse unterstreichen daher die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen Pflanzenproduktion und Tierhaltung. Die Niederschlagswasserproduktivität der Futterproduktion muss verbessert werden, um das Management der Tierernährung zu optimieren. Darüber kann eine höhere Wasserproduktivität der Tierhaltung insgesamt erreicht werden. In Milchviehbetrieben zeigen die Ergebnisse, dass die Wasserproduktivität direkt von den Indikatoren für eine höhere Milchproduktivität des Betriebs abhängt, unabhängig von der Art des Produktionssystems, und unterstreichen die Bedeutung der Bewertung dieses Indikators WP auf Betriebsebene. Die dritte Veröffentlichung standen die Umweltauswirkungen der Wassernutzung der Tierhaltung im Fokus. Die Bewertung der Auswirkungen der Wassernutzung ergab eine geringe Wasserknappheit im untersuchten Wassereinzugsgebiet. Die Wasserknappheit ist nicht alarmierend, selbst bei den Szenarien mit geringerer Verfügbarkeit von Wasser. Die Produktion von Schweinen wies den größten „Fußabdruck der Wasserknappheit“ im Wassereinzugsgebiet auf, gefolgt von der Milch- und Geflügelproduktion. Diese Dissertation trägt dazu bei, das Wissen über die Wasserflüsse, die Wasserproduktivität der Schweine- und Geflügelproduktion und die Milchproduktion in verschiedenen Produktionssystemen auf betrieblicher Ebene zu erweitern. Es sind die ersten Berechnungen der Wasserproduktivität dieser Tierproduktionssysteme in brasilianischen Betrieben und die erste Bewertung der Auswirkungen der Wasserknappheit in der Tierproduktion in einem brasilianischen Einzugsgebiet. Zudem wurde das Land Brasilien damit in die internationale wissenschaftliche Diskussion zu diesem Thema eingeführt. Die LEAP-Richtlinien der FAO wurden in dieser ersten Studie in Brasilien erfolgreich angewandt. Auf der Grundlage der Ergebnisse wird eine breite Anwendung der Leitlinien empfohlen, um die Berechnung von zuverlässigen und vergleichbaren Ergebnissen zu gewährleisten und die Entscheidungsfindung von Regierung, Wirtschaft und Gesellschaft im Hinblick auf eine resiliente und nachhaltige landwirtschaftliche Produktionssysteme zu unterstützen. / Water shortages caused by persistent and severe droughts and changes in rainfall patterns are expected to be more frequent and intense due to climate change, increasing water competition and posing food production at risk. Therefore, sustainable and resilient food systems are needed to meet the demand of a growing population. Plant production and animal husbandry account for 72% of the water withdrawn worldwide. Most water consumed in livestock production is for animal feed production. Water is also needed to provide drinking water and to clean and cool the stables. In this context, increasing agriculture and livestock water productivity (WP) is crucial, along with integrated management and governance of water resources. WP describes the ratio of output (e.g. kg milk) to water input (e.g. m³ evapotranspiration). Water input includes direct (e.g. water intake) and indirect (e.g., water for purchased feed) water use. WP calculations are used primarily in evaluating agricultural measures to improve rainfall and technical WP in livestock and crop production. Consistent methods are needed to increase WP and also to reduce the water-related environmental impact of livestock systems. Recently, the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), through the Livestock Environmental Assessment and Performance (LEAP) Partnership, launched reference guidelines for assessing water use in livestock production systems and supply chains. The FAO LEAP guidelines aim to understand the water flows on a farm scale and evaluate the contribution of livestock activities to water scarcity, supporting the identification of opportunities to reduce the potential water use impacts in this sector. This cumulative thesis presents the results of the first application of the FAO LEAP guidelines on farms located in Brazil. Three original publications were published in peer-reviewed journals. The WP was calculated based on primary data collected on 115 farms (pig, poultry and dairy) located within the Lajeado Tacongava watershed in southern Brazil, where the water scarcity impact associated with livestock production was assessed. The results of the first two original papers published show the high influence of feed production on the WP of animal products. Therefore, the results emphasize the need for close cooperation between feed production and livestock production to improve WP. Rainfall WP of feed production can be improved to optimize animal nutrition management. In addition, higher livestock WP can be achieved. In dairy farms, results indicate that WP is directly dependent on dairy productivity indicators of the farm, regardless the type of production system, and reinforce the importance of assessing this indicator on a farm scale. In the third publication, the environmental impact of water use in livestock production was investigated. The water scarcity impact assessment demonstrated a low water scarcity in the watershed and it is not alarming even in the driest water flow scenarios. Pig production presented the highest water scarcity footprint in the watershed, followed by dairy farming and poultry production. This dissertation contributes to the advancement of knowledge on the water flows, WP of pig, poultry and milk produced under different production systems on farm scale, which are the first WP benchmarks for these animal production systems in Brazilian farms. It also introduced Brazil to the international scientific discussion on this topic. Some suggestions of potential improvements for the guidelines are presented in this study. The FAO LEAP guidelines were successfully applied in its first study in Brazil. Based on the results of this study, the guidelines’ widespread use is recommended to ensure reliable and comparable results to support government, business and society decision-making toward a more resilient and sustainable food supply chain.

In der Wintersaison 2005-2006 wurde ein Split-Split Plot-Design Feldversuch mit drei Wiederholungen für jede Behandlung von Kartoffeln, als Indikatorpflanze, unter den ariden Bedingungen der Kharga Oasis in der Westlichen Wüste von Ägypten durchgeführt. Drei Bewässerungslevel (100 %, 80 %, und 60 % of ETc) mit Tröpfchenbewässerung, zwei Mulchvarianten (Zuckerrübenabfall ohne und mit 24 ton ha-1) und 4 Kompostraten (0, 12, 24, und 36 ton ha-1) wurden getestet. Generell und als Ergebnis einer Regressionsanalyse der Versuchsvarianten ohne Kompost war die beste Variante die Tröpfchenbewässerung bei 80% ETc unabhängig ob gemulcht oder nicht gemulcht wurde. Andererseits die Variante mit 36 t Kompost und mit 24 t Mulch ergab die besten Ergebnisse bei 60% of ETc sowohl beim Ertrag und den Ertragskomponenten, bei den hydrophysikalischen Eigenschaften, bei der Bodenwasserretention, beim Wasserverbrauch, bei den Pflanzenkoeffizienten, der Wassernutzungseffizienz, der Düngernutzungseffizienz sowie beim Nettogewinn. Wird die Rate der Kompostgabe aber auf 24 ton ha-1 reduziert, die höchsten Nettogewinne bei der lokalen Vermarktung als auch signifikant beim Kartoffelexport werden erreicht. / Under the arid condition of Kharga Oasis in the Western Desert of Egypt, split-split plot design field experiment with three replications for each treatment using potato as an indicator plant was carried out during the winter season 2005-2006. Three irrigation levels of water regime (100 %, 80 %, and 60 % of ETc) using drip irrigation system, two treatments of soil covering (sugar cane wastes at the rate of 0 and 24 ton /ha) and compost rates (0, 12, 24, and 36 ton ha-1) were tested. In general and as a result of the triple interaction among the studied treatments, using drip irrigation either with soil mulching or not, 80 % of ETc as a water regime was the best. On the other hand, reducing drip irrigation water level at 60% of ETc in mulched soil that was treated with 36 ton ha-1 of compost recorded the highest values yield and yield components, soil hydrophysical properties, soil water retention, water consumption, crop coefficients, water economy water use efficiency, fertilizer use efficiency, net profit. But reducing the compost rate to 24 ton ha-1 attained the highest net profit for local potato consumption and achieved the best significant net profit for exportation.

In dieser Dissertation wird der Einfluss von Transaktionen zur Wiederverwendung von Nährstoffen und gereinigtem kommunalen Abwasser auf die Wertschöpfungsketten der Abwasserbehandlung und Pflanzenproduktion untersucht. Ziel ist es, Kosten und Nutzen sowie die Wertschöpfung von Transaktionen in verknüpften Wertschöpfungsketten der Abwasserbehandlung und Pflanzenproduktion zu analysieren. Darüber hinaus wird untersucht, wie Transaktionen und Interdependenzen zwischen Akteuren in verknüpften Wertschöpfungsketten die lokalen Governance-Strukturen für die Wiederverwendung von Abwasser beeinflussen. Die Analyse wird hauptsächlich durch das Wertschöpfungskettenkonzept, das Konzept der Kreislaufwirtschaft und die Theorie der Transaktionskostenökonomie geleitet. Mit verschiedenen Methoden, wie der Kosten-Nutzen-Analyse, der Wertschöpfungskettenanalyse und der Transaktionskostenanalyse, werden zwei Fallstudien in Deutschland untersucht: (1) die Fällung von Struvit (Magnesium-Ammonium-Phosphat) und dessen Verwendung als Dünger in Berlin-Brandenburg und (2) das Modell der landwirtschaftlichen Abwasserwiederverwendung in Braunschweig. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wiederverwendung von Nährstoffen und Abwasser zu geringeren Kosten für die Abwasserbehandlung, höherer Rentabilität und Wertschöpfung in der Pflanzenproduktion und zu einem hohen Anteil an regionaler Wertschöpfung führen. Die Ergebnisse verdeutlichen aber auch, dass die Wiederverwendung von Abwasser zu Einschränkungen, Verdrängungseffekten und Veränderungen in der Verteilung der Wertschöpfung führen kann. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass differenzierte Governance-Strukturen erforderlich sind, um den unterschiedlichen Eigenschaften der Transaktionen zwischen Abwasserbehandlung und der Pflanzenproduktion gerecht zu werden. Interdependenzen zwischen Abwasseranbietern und Landwirten erhöhen den Bedarf an hybriden und hierarchischen Elementen in den Governance-Strukuren für die Wiederverwendung von Abwasser. / This dissertation explores the impact of transactions for reusing nutrients and treated municipal wastewater on the value chains of wastewater treatment and crop production. It aims to analyze what costs and benefits and what added-value can result from transactions in linked value chains of wastewater treatment and crop production. Furthermore, it aims to analyze how transactions and interdependences between actors in linked value chains shape the governance structures for reusing wastewater at the local level. The analysis is mainly guided by the value chain concept, the concept of the circular economy and the theory of transaction costs economics. Different methods including cost-benefit analysis, value chain analysis and transaction cost analysis are used to investigate two case studies located in Germany: (1) the precipitation of struvite (magnesium ammonium phosphate) in the wastewater treatment plant in Waßmannsdorf and its application as fertilizer in Berlin-Brandenburg, and (2) the agricultural wastewater reuse scheme of the Wastewater Association Braunschweig. The results show that transactions for reusing nutrients and wastewater result in the development of linked regional value chains with lower costs of wastewater treatment, higher profitability and added-value in crop production, and a high share of regional added-value. However, the results also highlight that the reuse of wastewater can lead to restrictions (e.g., cultivation bans on certain crops), crowding out effects and changes in the distribution of the added-value. Furthermore, the findings suggest that different governance structures are needed to match the different properties of the transactions between wastewater treatment and crop production. Interdependences resulting from transactions between wastewater providers and farmers increase the need for hybrid and hierarchical elements in the governance structures for reusing wastewater.

Durch die Nutzung des fischfutterbedingten Nährstoffeintrags für die kombinierte Produktion von Fischen und Pflanzen können Aquaponiksysteme eine nachhaltige Erweiterung von Kreislaufanlagen der Aquakultur (RAS) darstellen. Herkömmliche Aquakulturfutter zielen jedoch auf Fischproduktion mit geringer Umweltbelastung ab und sind somit nicht für die Aquaponik optimiert. Daher weist RAS-Wasser häufig Mängel im Profil gelöster anorganischer Pflanzennährstoffe auf. So war es Ziel dieser Arbeit, die Auswirkungen unterschiedlicher Proteinquellen auf die Nährstoffdynamik in RAS durch Fütterungsversuche mit Afrikanischem Raubwels und Nil-Tilapia zu untersuchen, bei denen Wachstum, gelöste anorganische Nährstoffkonzentrationen im RAS-Wasser und die Ausscheidung von Nährstoffen über den Kot verfolgt wurden. Der Fokus lag auf nachhaltigen alternativen Proteinquellen zu marinem Fischmehl und terrestrischen Pflanzenproteinen: Larvenmehl der Schwarzen Soldatenfliege (BSFM), Welsschlachtabfallmehl (CM), Geflügelschlachtabfallmehl (PM) und Geflügelblutmehl (PBM). Experimentalfutter, die phosphorreiches PM und CM enthielten, förderten erhöhte Ausscheidung von löslichem reaktivem Phosphor, erzeugten die besten gelösten N:P-Verhältnisse im RAS-Wasser verglichen mit einer Hydroponik-Nährlösung und ermöglichten in Kombination mit PBM besseres Wachstum beim Wels als ein vergleichbares kommerzielles Futter. In Futtern basierend auf einer einzigen Proteinquelle führte PM bei Wels und insbesondere bei Tilapia zu ähnlichem Wachstum verglichen mit marinem Fischmehl, wohingegen BSFM und PBM bei beiden Arten Wachstumsleistung beeinträchtigte. Meta-Analysen aller Versuche legen nahe, dass höherer Phosphor-, Kalium- und Magnesiumgehalt im Futter erhöhte Ausscheidung dieser Elemente in gelöster Form bedingt, was sie zu Zielnährstoffen in Aquaponikfuttern macht, während die Optimierung des Protein zu Energie-Verhältnisses im Futter die gelösten N:P- und N:K-Verhältnisse im RAS-Wasser verbessern kann. / By using the nutrient input from fish feeds for the combined production of fish and plants, aquaponic systems can be a sustainable extension of recirculating aquaculture systems (RAS). However, conventional aquaculture feeds are optimized for fish production and reduced environmental impact rather than aquaponics. Hence, RAS water is often characterized by deficiencies regarding its dissolved inorganic plant nutrient profile. Therefore, this thesis aimed to explore the effect of purposeful dietary protein choice on nutrient dynamics in RAS through four systematic feeding trials involving African catfish and Nile tilapia in which growth performance, dissolved inorganic nutrient concentrations in RAS water and solid fecal nutrient excretion were tracked. Focus was on sustainable alternative protein sources to marine fish meal and terrestrial plant proteins: black soldier fly larvae meal (BSFM), catfish by-product meal (CM), poultry by-product meal (PM) and poultry blood meal (PBM). Experimental diets including phosphorus-rich PM and CM supported increased excretion of soluble reactive phosphorus, produced the most favorable dissolved N:P ratios in RAS water when compared to a renowned hydroponic nutrient solution, and, combined with PBM, enabled better growth performance in African catfish than a comparable commercial diet. In single protein source diets, PM produced similar growth performance in African catfish and particularly Nile tilapia versus marine fish meal, whereas BSFM and PBM impaired growth performance in both species. Meta-analyses covering all trials suggest that higher dietary phosphorus, potassium and magnesium content leads to their increased excretion in dissolved form, making them target nutrients for aquaponic feed formulation, while the optimization of the dietary protein to energy ratio can further improve dissolved N:P and N:K ratios in RAS water.

(Oberflächen-) Gewässer weltweit sind mit geringen Mengen (ng/L bis wenige µg/L) humaner Pharmazeutika belastet. Diclofenac (DCF; nicht-steroidal, entzündungshemmend) und Metoprolol (MTP; ß-Blocker) gehören entsprechend ihres hohen Verbrauchs zu den am häufigsten gefundenen Substanzen. Deren biologische Aktivität ist nicht auf den Menschen beschränkt. Gut konservierte Enzyme innerhalb der Vertebraten legen Auswirkungen auf Nicht-Zielorganismen wie Fische nahe, die bisher in Langzeituntersuchungen mit umweltrelevanten Konzentrationen unzureichend untersucht wurden. In der vorliegenden Arbeit wurden die physiologischen Effekte von DCF und MTP auf die Nil-Tilapie (Oreochromis niloticus), einem der wichtigsten Aquakulturfische weltweit, untersucht. In vitro konnte anhand primärer Hepatozyten gezeigt werden, dass bereits umweltrelevante Konzentrationen von DCF zu einer erhöhten Genexpression verschiedener Schlüsselenzyme der Detoxifizierung führten. Nach MTP-Exposition waren die Veränderungen weniger eindeutig. Beide Substanzen induzierten die Vitellogenin Genexpression, nur DCF jedoch bereits in umweltrelevanter Konzentration. In vivo wurden in zwei Langzeit-Expositionsversuchen die physiologischen Effekte vom befruchteten Ei bis 80 Tage nach Schlupf in O. niloticus untersucht. Beide Substanzen hatte keinen Einfluss auf Schlupferfolg und Überleben, das Wachstum war nach 80 Tagen nach Schlupf leicht reduziert. Die deutlichsten Auswirkungen waren histopathologische Veränderungen der Kiemen, veränderte Genexpressionen der Gonadotropine und eine erhöhte Expression von Vitellogenin. Die Ergebnisse legen eine stärkere östrogene Aktivität von DCF im Vergleich zu MTP nahe. Zusammenfassend sind die Bedenken gegenüber den Einzelsubstanzen eher gering, negative Auswirkungen auf die Reproduktion und sich verstärkende Effekte bei zeitgleicher Exposition gegenüber DCF und MTP lassen sich jedoch nicht ausschließen und sollten im Weiteren untersucht werden. / Surface waters worldwide are contaminated with low levels (ng/L up to few µg/L) of human pharmaceuticals. Diclofenac (DCF; non-steroidal, anti-inflammatory) and metoprolol (MTP; ß-blocker) are highly consumed and therefore commonly detected. Their biological activity is not restricted to humans. Well conserved enzymes within the vertebrates suggest effects on non-target organisms such as fish, poorly studied in long-term exposure experiments using environmentally relevant concentrations. In the presented work, physiological effects of DCF and MTP on the Nile tilapia (Oreochromis niloticus), an important aquaculture fish species, were studied. Using primary hepatocytes, it was shown in vitro that environmentally relevant concentrations of DCF increased the gene expression of different key enzymes of the detoxification, while MTP exposure had a less clear effect. Both substances induced vitellogenin gene expression, but only after DCF exposure this was significantly elevated already at the environmentally relevant concentration. In vivo, two long-term exposure studies on the physiological effects from the fertilized egg until 80 days post-hatch were evaluated. Both substances did not affect hatching success and survival, while growth was slightly reduced after 80 days post-hatch. Histopathological alterations of the gills, changed gene expression patterns of the gonadotropins and induced vitellogenin gene expression were the most dominant findings. The results indicate a stronger estrogenic mode of action of DCF compared to MTP. Overall, the risk due to a single substance exposure seems to be relatively low but adverse effects on reproduction and additive effects during simultaneous exposure to DCF and MTP cannot be excluded and should be investigated further.

Die Körpergröße ist von großer Bedeutung für die Fitness vieler Tiere, weil sie positiv mit Überleben und Reproduktionserfolg korreliert ist. Große Rogner vieler Fischarten sind fruchtbarer und produzieren Nachkommen von höherer Qualität verglichen mit kleineren Weibchen. Auch für Milchner einiger Fischarten wurde ein Einfluss der Körpergröße auf frühe Lebensstadien nachgewiesen. Der größenabhängige paternale Effekt verglichen mit maternalen Effekten ist weniger gut untersucht. Das Verständnis der Variation im Reproduktionserfolg als Funktion der Körpergröße der Laicher ist wichtig, weil die Fischerei die Durchschnittsgröße des Laicherbestands reduziert. In vorliegender Dissertation wurden in Laborversuchen an Zebrafischen (Danio rerio) größenabhängige paternale und maternale Effekte auf den Reproduktionserfolg und die Auswirkungen größenselektiver Entnahme auf Körperlänge, Reifung und Reproduktionserfolg untersucht. Die Köperlänge und Kondition waren wichtige Determinanten der Reifung bei Zebrafischen. Größere Rogner zeigten höheren Reproduktionserfolg als kleinere Fische und ein signifikanter Einfluss der Milchnerkörperlänge auf die frühen Lebensstadien ihrer Nachkommen wurde dokumentiert. Längere Männchen wurden von Rognern auch bei der Paarung bevorzugt. Die größenabhängigen maternalen und paternalen Effekte waren ausschlaggebend für den erhöhten Reproduktionserfolg von Zebrafischlaichbeständen, die, verglichen mit kleinen Laichern, aus großen oder zufällig zusammengesetzten Individuen zusammengesetzt waren. Die größenselektive Entnahme führte zu phänotypischen und genetischen Veränderungen, die nach Einstellung der experimentellen Befischung persistierten. Das deutet an, dass die durch die Fischerei ausgelöste Evolution schwierig umkehrbar sein könnte. Die Köpergröße ist von überragender Bedeutung in der Reproduktionsbiologie des Zebrafisches und der Schutz großer Laichfische kann wichtig für den Erhalt der Reproduktionskapazität von befischten Beständen sein. / Body size is a fundamentally important trait for fitness in many animal species because it correlates positively with survival and reproductive success. In many fish species, large females exhibit higher fecundity and produce higher quality offspring compared to small females. Similarly, male body size can affect offspring quality and early life-history traits but the importance of these effects to the reproductive biology of fish is poorly studied. The extent to which variation in reproductive success is explained by parental body size is an important research topic because size-selective fishing usually reduces the average size of reproducing adults in a population. In my dissertation, I studied the parental size effects on reproductive success in a model species (zebrafish, Danio rerio). I also studied the effects of size-selective harvesting on body size, maturation and reproductive output. Body size and condition factor were important determinants of the initiation of maturation in zebrafish. Large females were found to have higher reproductive success compared to small females and a significant effect of male body size on early life-history traits was documented. I found that large males were also favored by the females resulting to differential allocation of reproductive resources toward large males. The maternal- and paternal-size effects ultimately led to elevated reproductive success of experimental spawning stocks consisting of large or random-sized individuals compared to spawning stocks consisting of small individuals. Size-selective harvesting induced rapid phenotypic and genetic changes, which persisted after selection was halted. This suggests that fishing-induced changes might be hard to reverse. My results emphasize the importance of body size to the reproductive biology of zebrafish and suggest that protecting large fish might be important to maintain the reproductive potential of exploited fish stocks.

Zur Sicherung der Fischbestände muss die Aquakultur ihren Beitrag zur Weltfischversorgung weiter steigern. Solange jedoch die Fischfutter Produktion stark von der Gewinnung von Fischmehl abhängig ist, bestehen für die Aquakultur natürliche Begrenzungen und die Gefahr der Überfischung der Fischbestände bleibt erhalten. Wenn das Wachstumspotenzial der Aquakultur ausgeschöpft werden soll, müssen beträchtliche Mengen von Nährstoffeinträgen in Form von vollständigen Aquakultur-Mischfuttermitteln auf einer nachhaltigen Basis verfügbar sein. Aufgrund des gestiegenen Preises von kommerziellem Fischfutter sind Kleinproduzenten nicht in der Lage dieses zu erwerben. Daher ist es notwendig, ihnen alternatives Fischfutter zur Verfügung zu stellen. Wasserpflanzen können eine bedeutende Nahrungsquelle für herbivore- und omnivore Fische sein. Dennoch ist die Nutzung dieser Pflanzen als Zusatz für Fischfutter durch eine Reihe antinutritiver Substanzen, welche das normale Fischwachstum negativ beeinträchtigen, begrenzt. Unterschiedliche Behandlungen der Pflanzen können den Anteil an antinutritiven Substanzen reduzieren. Das Ziel dieser Dissertation war es, das nutritive Potential von Wasserpflanzen zu bestimmen. Die Wirkung der Behandlungen wie Sonnentrocknung oder Fermentierung zu bewerten und den Effekt ihrer Nutzung als Fischfutter auf das Wachstum von kultivierten Fischen zu erfassen. Dazu wurden Rationen mit einem geringen Gehalt an Fischmehl (3%) und bis zu 25% der Wasserpflanzen an die Fischspezies P. brachypomus und O. niloticus verfüttert. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen dass, eine ausschließlich auf aquatischen Makrophyten basierende Fütterung nicht empfehlenswert ist. Indem sie jedoch mit anderen lokal verfügbaren Agrar-Nebenerzeugnissen oder sogar mit kommerziellen Futtermitteln kombiniert werden, könnten die Futterkosten erheblich reduziert werden und bäuerlichen Kleinbetrieben eine Möglichkeit zum Wettbewerb auf den lokalen Märkten eröffnen. / It is commonly known that aquaculture needs to increase further its net contribution to the total world fish supplies. However, at present almost all farming operations, based on the use of fish feed, are highly dependent on available fishery resources for the production of fish meal, becoming a reducing activity rather than an activity suppling fishery resources. If the aquaculture growth potential is to be maintained, then considerable quantities of nutrient inputs in the form of aquafeeds will have to be available on a sustainable basis. On a long-term the small producers will be unable to depend on commercial aquafeeds based traditionally on fish meal, due to its increased price. Small-scale farmers need an alternative fish feed wherever possible based on the use of non-food grade locally feed resources, which is available in rural areas, is low-cost and is suitable for the proper growth and maintenance of native fish. Aquatic plants are considered important nutritional sources for herbivorous-omnivorous fish. However, the use of plant-derived materials as fish feed ingredient is limited by the presence of wide variety of antinutrients that affect the normal fish growth negatively; so that plants should be processed to reduce the effects of these compounds. Considering these aspects, this study assessed the nutritional potential of aquatic plants available in rural Colombia treated by sun drying and by fermentation and the effect of their use as fish feed on the growth performance of common cultured tropical fish (Piaractus brachypomus and Oreochromis niloticus) fed low fishmeal diets (3%) and until 25% of aquatic plants. The results of this study showed that a feeding exclusively based on aquatic plants is not recommendable; but to combine them with other locally available by-products of agriculture or even with commercial diets might considerably reduce feeding cost and provide to the small-scale farmers the opportunity to compete in local markets.

Die Freizeit- bzw. Angelfischerei ist ein komplexes sozial-ökologisches System, welches sich aus drei wesentlichen Komponenten zusammensetzt: einer biologischen, einer sozialen und einer Managementkomponente. Fischereimanager sind aufgefordert, anglerischen Interessen und den Anforderungen einer biologisch nachhaltigen Gewässerbewirtschaftung gleichsam gerecht zu werden. Unzureichend verstandene Wechselwirkungen zwischen den Fischereikomponenten limitieren die Möglichkeit, die Angelfischerei nachhaltig zu entwickeln. Diese werden beeinflusst von lebensgeschichtlichen Parametern der jeweiligen Fischart, von Dynamik und Diversität der Angler sowie von Maßnahmen und Managementzielen. Die Dissertation untersuchte die Bedeutung einer gleichzeitigen Berücksichtigung der drei Fischereikomponenten und ihren Wechselwirkungen zur Realisierung einer biologisch und sozial nachhaltigen Angelfischerei. Ein neuartiges bioökonomisches Simulationsmodell identifizierte Bewirtschaftungsmaßnahmen, die den von der Fischerei erzeugten sozialen Nutzen maximieren. Die Ergebnisse widerlegen die Annahme der Selbstregulationsfähigkeit der Angelfischerei. Die Höhe und Art der Befischungsintensität sowie der soziale Nutzen wurden stark durch eine Vielzahl von fangabhängigen und fangunabhängigen Attributen beeinflusst, wobei auch Anglertyp und Anfälligkeit der Fischpopulation zur Überfischung eine Rolle spielten. Einige Regularien zur Erreichung der Bewirtschaftungsziele waren effektiver als andere, aber ihre Wirksamkeit könnte durch die Haksterblichkeit und die Nichteinhaltung von Vorschriften unterlaufen werden. Obwohl sich die Bewirtschaftungsmaßnahmen je nach Zielart, Anglerschaft und Bewirtschaftungszielen richten, beinhalten die als optimal identifizierten Maßnahmen in fast allen Fällen eine biologische nachhaltige Bewirtschaftung. Die Ergebnisse zeigen, dass ein interdisziplinärer Ansatz zu einer sozial und biologisch nachhaltigen Bewirtschaftung der Freizeitfischerei beitragen kann. / Recreational fisheries are complex social-ecological systems, and managers often need to balance the interests of the anglers utilizing the fishery – the social sustainability – and the biological sustainability of the fish population. However, a poor understanding of the interactions among the main components of a fishery – the biological, social, and management components – has limited our ability to manage recreational fisheries sustainably. Fish life-history type (LHT), the dynamics and diversity of the angler population, angling regulations and management objectives all influence management outcomes. Using both empirical and theoretical studies, I evaluated the importance of jointly considering these primary drivers and the feedbacks between fishery components when managing recreational fisheries. I developed a novel bioeconomic modelling framework to determine which regulations (effort regulations and minimum-size limits) maximized the social welfare derived from the fishery, the optimal social yield (OSY). My research refutes the hypothesis that anglers are self-regulating (i.e., stop fishing when catch rates decline). The amount and type of fishing pressure the fishery received and the social welfare derived were strongly influenced by multiple fishery attributes and differed with the type of angler fishing and the fish population’s vulnerability to overexploitation (LHT). I found regulations influenced fishing mortality rates, but also directly influenced angler behaviour. Some regulations were more effective than others at achieving management objectives, but their effectiveness could be undermined by hooking mortality and regulatory noncompliance. Despite differences in optimal regulations, an OSY management approach generally did not result in overfishing. My research demonstrates that a multidisciplinary approach based on clear objectives can help us progress towards both socially and biologically sustainable management of recreational fisheries.

Die Besiedlung von Gewässern durch Fische, ist neben abiotischen Lebensraumbedingungen auch von der Erreichbarkeit d.h. von der art-spezifischen Ausbreitungsfähigkeit sowie von Wanderhindernissen abhängig. Der erste Teil dieser Arbeit bietet die erste umfangreiche quantitative Analyse von Ausbreitungsmustern und -distanzen von Flussfischen. Aus der Fachliteratur wurden 160 empirische Datensätze aus 71 wissenschaftlichen Studien zur Ausbreitung von 62 Fischarten in Flüssen extrahiert und an leptokurse Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktionen (Dispersal kernel) angepasst. Es konnte bei Fischpopulationen zwischen einer stationären (ca. 2/3) und einer mobilen Komponente (ca. 1/3) unterschieden werden deren Ausbreitungsdistanzen von vier Faktoren abhängig sind: Fischlänge, Form der Schwanzflosse, Fließgewässergröße, betrachtete Zeitspanne. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich dem neu entwickelten Fischausbreitungsmodell FIDIMO einem GIS-Softwareprogramm zur Modellierung und Simulation der räumlichen und zeitlichen Ausbreitungsmuster von Fischen in Flüssen unter Berücksichtigung von Wanderhindernissen. FIDIMO verknüpft konzeptionelle Überlegungen zu Ausbreitungsmodellen in verzweigten Fließgewässernetzwerken mit empirisch bestimmten leptokursen Fischausbreitungskurven unter ausschließlicher Verwendung von Free and Open Source Software. Im dritten Teil der Arbeit wurde FIDIMO zur Modellierung der Ausbreitung von 17 Fischarten angewendet um die Einflüsse von (i) Habitatqualität, (ii) Ausbreitungsfähigkeit und (iii) Fließgewässer-Fragmentierung auf die Besiedlungsmuster durch Fische zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die artspezifische Habitatqualität und Ausbreitungsfähigkeit die Besiedlung maßgeblich bestimmen. Dagegen wurde kein signifikanter Einfluss von Barrieren auf das Vorkommen einer Art gefunden. Über längere Zeiträume sinkt der Einfluss von Fischausbreitung auf das lokale Vorkommen einer Fischart während die Habitatqualität relativ wichtiger wird. / The colonisation of rivers by fishes is directly linked to abiotic habitat conditions but often impaired by dispersal abilities of fishes and movement constraints such as barriers. The first part of this thesis provides the first comprehensive quantitative analysis of freshwater fish movement while considering fish populations consisting of differently mobile specimens. 160 empirical datasets from 71 studies on the movement of 62 riverine fish species were analysed based on refitted leptokurtic probability-density functions (dispersal kernels). A share of one third and two thirds emerged as a general pattern of the mobile and stationary component of a fish population, respectively. Moreover, four variables were identified primarily determining dispersal distances: fish length, aspect ratio of the caudal fin, river size and time. In the second part of the thesis, the novel fish dispersal model FIDIMO is introduced. FIDIMO provides a GIS-tool for predicting and simulating spatio-temporal patterns of fish dispersal in dendritic river networks considering movement barriers. The fish dispersal model FIDIMO links conceptual considerations on dispersal modelling with empirically observed leptokurtic fish movement patterns and the strengths of geographically explicit modelling in Free and Open Source GIS. In the third part of the thesis, FIDIMO was applied for modelling dispersal of 17 fish species to disentangle the effects of (i) habitat suitability, (ii) dispersal constraints and (iii) network fragmentation on the distribution of river fishes. The results show significant positive effects of both, local-scale habitat quality and species-specific dispersal ability on the distribution of river fishes, whereas no significant effect of barriers influencing the presence of a species could be found. Over longer time periods the importance of dispersal decreased in favour of habitat suitability becoming relatively more relevant in determining species'' presence.

Moderne Präzisionsgartenbaulicheproduktion schließt hoch technifizierte Gewächshäuser, deren Einsatz in großem Maße von der Qualität der Sensorik- und Regelungstechnik abhängt, mit ein. Zu den Regelungsstrategien gehören unter anderem Methoden der Künstlichen Intelligenz, wie z.B. Künstliche Neuronale Netze (KNN, aus dem Englischen). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Eignung KNN-basierter Modelle als Bauelemente von Klimaregelungstrategien in Gewächshäusern. Es werden zwei Modelle vorgestellt: Ein Modell zur kurzzeitigen Voraussage des Gewächshausklimas (Lufttemperatur und relative Feuchtigkeit, in Minuten-Zeiträumen), und Modell zur Einschätzung von phytometrischen Signalen (Blatttemperatur, Transpirationsrate und Photosyntheserate). Eine Datenbank, die drei Kulturjahre umfasste (Kultur: Tomato), wurde zur Modellbildung bzw. -test benutzt. Es wurde festgestellt, dass die ANN-basierte Modelle sehr stark auf die Auswahl der Metaparameter und Netzarchitektur reagieren, und dass sie auch mit derselben Architektur verschiedene Kalkulationsergebnisse liefern können. Nichtsdestotrotz, hat sich diese Art von Modellen als geeignet zur Einschätzung komplexer Pflanzensignalen sowie zur Mikroklimavoraussage erwiesen. Zwei zusätzliche Möglichkeiten zur Erstellung von komplexen Simulationen sind in der Arbeit enthalten, und zwar zur Klimavoraussage in längerer Perioden und zur Voraussage der Photosyntheserate. Die Arbeit kommt zum Ergebnis, dass die Verwendung von KNN-Modellen für neue Gewächshaussteuerungstrategien geeignet ist, da sie robust sind und mit der Systemskomplexität gut zurechtkommen. Allerdings muss beachtet werden, dass Probleme und Schwierigkeiten auftreten können. Diese Arbeit weist auf die Relevanz der Netzarchitektur, die erforderlichen großen Datenmengen zur Modellbildung und Probleme mit verschiedenen Zeitkonstanten im Gewächshaus hin. / One facet of the current developments in precision horticulture is the highly technified production under cover. The intensive production in modern greenhouses heavily relies on instrumentation and control techniques to automate many tasks. Among these techniques are control strategies, which can also include some methods developed within the field of Artificial Intelligence. This document presents research on Artificial Neural Networks (ANN), a technique derived from Artificial Intelligence, and aims to shed light on their applicability in greenhouse vegetable production. In particular, this work focuses on the suitability of ANN-based models for greenhouse environmental control. To this end, two models were built: A short-term climate prediction model (air temperature and relative humidity in time scale of minutes), and a model of the plant response to the climate, the latter regarding phytometric measurements of leaf temperature, transpiration rate and photosynthesis rate. A dataset comprising three years of tomato cultivation was used to build and test the models. It was found that this kind of models is very sensitive to the fine-tuning of the metaparameters and that they can produce different results even with the same architecture. Nevertheless, it was shown that ANN are useful to simulate complex biological signals and to estimate future microclimate trends. Furthermore, two connection schemes are proposed to assemble several models in order to generate more complex simulations, like long-term prediction chains and photosynthesis forecasts. It was concluded that ANN could be used in greenhouse automation systems as part of the control strategy, as they are robust and can cope with the complexity of the system. However, a number of problems and difficulties are pointed out, including the importance of the architecture, the need for large datasets to build the models and problems arising from different time constants in the whole greenhouse system.