Einleitung: Risiken für Honigbienen stellen heutzutage schwindende natürliche Flächen und der Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft dar. Flupyradifuron ist der Wirkstoff eines neuen Pflanzenschutzmittels der Bayer AG, das unter dem Namen „Sivanto“ vermarktet wird. Flupyradifuron an den nikotinischen Acetylcholin-Rezeptor im Gehirn der Honigbiene. Zielstellung: Ziel dieser Arbeit ist es, subletale Effekte von Flupyradifuron auf Verhalten und Gehirnstrukturen der Honigbiene zu untersuchen. Material und Methoden: Der Effekt einer chronischen Flupyradifuron-Applikation in unterschiedlichen Konzentrationen über zehn Tage auf die Mortalität, wurde in frisch geschlüpften Sommerbienen und langlebigen Winterbienen untersucht (N = 30 pro Behandlung, jeweils vier Replikate). Die statistische Auswertung erfolgte mit der Kaplan-Meier-Methode mit log-Rank Test. Nachdem Flupyradifuron einmalig an Honigbienen (N = 46, 47, 48 bzw. 55 pro Behandlung bei Nektar-sammelnden; N = 54, 68, 56 bzw. 62 pro Behandlung bei Pollen-sammelnden Bienen) verfüttert wurde, wurde deren Geschmackswahrnehmung getestet Im Folgenden wurden die Bienen mittels klassischer olfaktorischer Konditionierung auf einen Duft konditioniert. Das Gedächtnis wurde am nächsten Tag getestet. Zur statistischen Auswertung wurde die logistische Regression mit Post-Hoc Least Significant Difference Test angewendet. Es wurde eine Videoanalyse durchgeführt, um den Einfluss von Flupyradifuron auf die motorischen Fähigkeiten von Sommer- und Winterbienen zu untersuchen. Dazu wurde Flupyradifuron einmalig (N = 19 pro Behandlung im Sommer; N = 17 bzw. 16 pro Behandlung im Winter) oder über 24 h (N = 15 pro Behandlung im Sommer; N = 18 pro Behandlung im Winter) verabreicht. Zum Vergleich wurde das Experiment mit dem Neonikotinoid Imidacloprid bei Winterbienen wiederholt (N = 17 bzw. 16 pro Behandlung bei einmaliger Gabe; N = 16 pro Behandlung bei 24 h Gabe). Die statistische Auswertung erfolgte mittels einer nicht-parametrischen Varianzanalyse (Kruskal-Wallis H Test) und dem Pearson Chi-Quadrat Test. Um die Effekte von Flupyradifuron auf das Sammelverhalten der Bienen zu untersuchen, wurde die RFID („radio frequency identification“) Technik angewandt. Frisch geschlüpfte Arbeiterinnen (N = 100) wurden in einem separaten Käfig im Bienenstock gehalten und mit Flupyradifuron behandelt. Nach sieben Tagen wurden die Bienen in die Kolonie entlassen und ihr Flugverhalten für 40 Tage verfolgt. Das Experiment wurde zweimal durchgeführt. Die Kaplan-Meier Methode mit log-Rank Test wurde angewandt um Sammelbeginn und -ende zwischen den Behandlungen zu vergleichen. Anzahl und Dauer der Sammelflüge zwischen den Behandlungsgruppen wurden mit dem Mann-Whitney-U-Test verglichen. Um den Einfluss von Flupyradifuron auf Gehirnstrukturen zu untersuchen, wurden die Bienen über zehn Tage oral mit Flupyradifuron behandelt. Gehirne (N =10 pro Behandlung) wurden präpariert, Schnitte von 5 µm wurden hergestellt und mit Hämatoxylin/Eosin (H/E) gefärbt. Bei allen Versuchen wurde ein Signifikanzniveau von P < 0,05 festgelegt. Ergebnisse: In einer mittleren Konzentration von 1,0 µg pro Biene pro Tag war die Mortalität von Sommer- und Winterbienen in drei bzw. zwei von vier Replikaten signifikant erhöht. Eine zehnfach höhere Konzentration führte zu 100 % Mortalität, eine zehnfach niedrigere Konzentration war subletal. Flupyradifuron reduzierte die Geschmackswahrnehmung und das appetitive Lernen. Dabei hatte nur die höchste verwendete Konzentration (8,3 *10 4 mol/l) einen signifikanten Einfluss, zwei zehnfach niedrigere Konzentrationen hatten keinen Effekt. Eine einmalige Flupyradifuron-Gabe störte das normale motorische Verhalten von Bienen und führte zu motorischen Ausfallerscheinungen. Dies war bei Winterbienen stärker ausgeprägt als bei Sommerbienen und wurde durch eine hohe Dosis (8.3 *10 4 mol/l) hervorgerufen. Nach einer chronischen Gabe über 24 h waren die Veränderungen weniger stark ausgeprägt. Imidacloprid führte nicht zu motorischen Ausfallerscheinungen. Insektizid-behandelte Bienen zeigten signifikant früheres Sammelverhalten. Dies galt für beide Replikate. Im zweiten Replikat zeigten die behandelten Bienen zudem mehr Sammelflüge und diese dauerten länger. Die Analyse von Gehirnstrukturen nach der Behandlung mit Flupyradifuron mit Hilfe von Lichtmikroskopier brachte keine Veränderungen zu Tage. Schlussfolgerungen: In hohen Konzentrationen beeinflusst das neue Insektizid Flupyradifuron Kognition und Motorik der Honigbiene in ähnlicher Weise wie die teilweise verbotenen Neonikotinoide. In niedrigeren Konzentrationen sind die Effekte weniger stark ausgeprägt. Zukünftige Studien sollten mögliche synergistische Effekte von Flupyradifuron in Kombination mit Pflanzenschutzmitteln, wie Fungiziden, aber auch in Kombination mit Parasiten und anderen Krankheitserregern untersuchen. / Introduction: Changing landscapes and pesticides resulting from intensified agriculture are two of the main threats for honeybees. Flupyradifurone is the active ingredient of a new pesticide released by Bayer AG under the name of “Sivanto”. It binds to the nicotinic acetylcholine receptor (nAchR) in the honeybee brain, similar to neonicotinoids. Aim: The aim of this study is to investigate effects of flupyradifurone on honeybee behavior und brain structure. Material and methods: The effect of a chronic application of flupyradifurone in different concentrations on mortality was studied in newly emerged summer bees and long lived winter bees (N = 30 per treatment, four replicates) over a period of ten days. Survival was analyzed using Kaplan-Meier –Method with log-rank Test. After feeding foraging honeybees (N = 46, 47, 48 respectively 55 per treatment in nectar foragers; N = 54, 68, 56 respectively 62 per treatment in pollen foragers) a single dose of flupyradifurone, gustatory responsiveness was quantified. Afterwards the bees were trained to an odor using classical olfactory conditioning. Memory was tested the next day. Statistical analysis was conducted using Logistic Regression. For post-hoc multiple comparisons we used the Least Significant Difference Test. Video analysis was conducted to test the effects of flupyradifurone on honeybee motor abilities in young summer bees and long lived winter bees. Flupyradifurone was administered once (N = 19 per treatment in summer; N = 17 respectively 16 per treatment in winter) or over the period of 24 h (N = 15 per treatment in summer; N = 18 per treatment in winter). For comparisons this experiment was repeated with the neonicotinoid imidacloprid (N = 17 respectively 16 per treatment for single administration; N = 16 per treatment for 24 h application). Non-parametric analysis of variance (Kruskal-Wallis H Test) and Pearson Chi-Square Test were applied to determine the effect of the insecticides on motor behavior between the different treatment groups. To test effects of flupyradifurone on honeybee foraging, RFID (radio frequency identification) technology was applied. Newly emerged worker bees (N = 100) were taken in a separated cage on top of the bee hive and treated with flupyradifurone. After one week the bees were released into the colony and their flight behavior was tracked for 40 days. The experiment was repeated twice. Kaplan-Meier-Method with log-rank Test was applied for comparing onset and end of foraging between the two treatment groups. Trips per active day and duration per trip between the different treatment groups were compared using Mann-Whitney U-Tests. Effects of flupyradifurone on honeybee brain structure were analyzed. Bees were treated with flupyradifurone for ten days. Brains (N = 10) were dissected and 5 µm sections were produced and stained with hematoxylin and eosin (H/E). For all experiments a significance level p < 0.05 was determined. Results: The mortality experiment revealed comparable results in newly emerged summer bees and long lived winter bees. The mortality of an intermediate concentration of approximately 1.0 µg flupyradifurone per bee per day was in three respectively two out of four replicates significantly increased. A tenfold higher concentration led to 100 % mortality, whereas a tenfold lower concentration was sublethal. Flupyradifurone reduced taste and appetitive learning performance in honeybees foraging for pollen and nectar. Only the highest concentration (8.3 *10 4 mol/l) had significant effects, whereas two tenfold lower concentrations had no effects. Flupyradifurone disturbed normal motor behavior and evoked motor disabilities after a single administration. The observed effects were stronger in long lived winter bees than in young summer bees. However, only a high dose (8.3 *10 4 mol/l) had these strong effects. After a continuous administration over 24 h the observed effects were less severe. Imidacloprid did not lead to motor disabilities. Pesticide-treated bees initiated foraging significantly earlier than control bees. This was true for both replicates. In the second replicate flupyradifurone treated bees furthermore showed more and longer foraging trips. Analyzing honeybee brains using light microscopy, no altered brain structures were observed after treating honeybees with flupyradifurone. Conclusion: High concentrations of flupyradifurone influence honeybee cognition and motor abilities in a similar way as the partly banned neonicotinoids. In lower concentrations, the observed effects are less severe. Future studies should examine possible synergistic effects of flupyradifurone between in combination with other pesticides, such as fungicides, but also in combination with parasites and other stressors, such as diseases.

Honigbienen (Apis mellifera L.) sind in der Lage mit ihren Komplexaugen visuelle Muster wahrzunehmen und die Musterinformation im Zentralen Nervensystem zu speichern und für Ähnlichkeitsbewertungen wieder abzurufen. Die vorliegende Arbeit zeigt klare Evidenz gegen eine ausschließliche Bewertung von Schwarzweißmustern mit Hilfe von Template-Matching-Mechanismen. Mit systematisch abgewandelten Dressurparadigmen trainierte Bienen bewerteten Muster unabhängig von der erfolgten Dressur stets bevorzugt gemäß eher grober Mustereigenschaften, wie zum Beispiel die Parameter "schwarzer Musterzentralbereich" und "Musterzerstreutheit". Veränderte man in einem weiteren Versuchansatz die Musterinformation der Schwarzweißmuster zudem gezielt durch geeignete Fourier-Filterung, zeigte sich, dass Bienen zur Musterdiskriminierung bereits die Frequenzinformation von 2 - 8 Schwingungen/Bildbreite genügte. Diese Unschärfe der bewerteten Bildinformation ließ sich nicht ausschließlich aus den optischen Eigenschaften des visuellen Apparates der Bienen ableiten. Videodokumentationen und Einzelbildanalyse des Flugverhaltens der Bienen vor den Mustern ergaben zudem keinerlei Hinweise für eine Nutzung des Flugverhaltens als Bewertungsgrundlage zur Musterdiskriminierung. Die erhaltenen Ergebnisse zur Musterdiskriminierung wurden vor dem Hintergrund eines ökonomischen Entscheidungsmodells für menschliches Verhalten, den Frugalheuristiken, diskutiert und Hinweise auf eine ökonomische Bewertungsstrategie der Bienen entsprechend einer Take-The-Best-Heuristik gefunden. / Honeybees (Apis mellifera L.) are able to perceive visual patterns through their compound eyes and store the visual information in the central nervous system for subsequent use in pattern discrimination tasks. This thesis provides clear evidence against the assumption that pattern discrimination relies exclusively on template matching mechanisms. Bees discriminated pairs of patterns preferential using extracted pattern parameters. Within this thesis the preferred parameters of the bees following the training paradigms were coarse parameters such as "black centre" and "pattern disruption". In experiments with Fourier filtered patterns the frequency information of the patterns were additionally reduced. The results showed that bees could discriminate patterns using only 2 - 8 cycles/pattern-width of the frequency information. The fuzziness of the exploited visual information could not be assigned to restrictions of the visual system of bees. Additional documentation and single picture analysis of the videotaped flight behaviour in front of the patterns provided no evidence for bees using their flight behaviour in order to enhance the pattern discrimination ability. Application of economic human decision models (frugal heuristics) to the behavioural results showed clues that bees'' decisions could be explained with the help of the Take-The-Best-heuristic.

Die Arbeit beschreibt ein stochastisches Simulationsprogramm zur Modellierung von Honigbienenpopulationen unter Zuchtbedingungen. Dieses Programm wurde neu implementiert um unterschiedliche Selektionsstrategien zu evaluieren und zu optimieren. In einer ersten Studie wurde untersucht, inwiefern die Vorhersagen, die das Programm trifft, vom verwendeten genetischen Modell abhängt. Hierbei wurde festgestellt, dass das Finite-Locus-Modell dem Infinitesimalmodell in Langzeitstudien vorzuziehen ist. Eine zweite Studie beleuchtete die Bedeutung der sicheren Anpaarung auf Belegstellen für die Honigbienenzucht. Hier zeigten die Simulationen, dass die Zucht mit Anpaarungskontrolle derjenigen mit freier Paarung von Königinnen deutlich überlegen ist. Schließlich wurde in einer finalen Studie der Frage nachgegangen, wie erfolgreiche Zuchtprogramme bei der Honigbiene langfristig nachhaltig zu gestalten sind. Hierbei sind kurzfristiger genetischer Zugewinn und langfristige Inzuchtvermeidung gegeneinander abzuwägen. Durch umfangreiche Simulationen konnten für verschiedene Ausgangspopulationen Empfehlungen für eine optimale Zuchtintensität auf mütterlicher und väterlicher Seite gefunden werden. / The present work describes a stochastic simulation program for modelling honeybee populations under breeding conditions. The program was newly implemented to investigate and optimize different selection strategies. A first study evaluated in how far the program's predictions depend on the underlying genetic model. It was found that the finite locus model rather than the infinitesimal model should be used for long-term investigations. A second study shed light into the importance of controlled mating for honeybee breeding. It was found that breeding schemes with controlled mating are far superior to free-mating alternatives. Ultimately, a final study examined how successful breeding strategies can be designed so that they are sustainable in the long term. For this, short-term genetic progress has to be weighed against the avoidance of inbreeding in the long run. By extensive simulations, optimal selection intensities on the maternal and paternal paths could be determined for different sets of population parameters.

Insekten besitzen das Potenzial, als alternative Nahrungsquelle einen Beitrag zur Sicherstellung der Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung zu leisten. Rechtlich gelten sie gemäß Vorgaben der Verordnung (EU) 2015/2283 als neuartige Lebensmittel und dürfen im Rahmen der Übergangsvorschriften dieser Verordnung unter bestimmten Voraussetzungen bereits in der Europäischen Union vermarktet werden. Da sie als wirbellose Tiere bisher aus dem Anwendungsbereich vieler Vorgaben herausfallen, stellen die rechtliche Beurteilung und vergleichbare Ergebnisgenerierung im Rahmen der amtlichen Lebensmittelüberwachung besondere Herausforderungen dar. Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Nutzung, das Inverkehrbringen und die Planung von Untersuchungsschwerpunkten durch die amtlichen Lebensmittelüberwachungs- sowie Untersuchungsbehörden, Produzenten und Lebensmittelunternehmer zu erleichtern, indem die aktuelle Rechtslage zum Thema Speiseinsekten zusammengefasst und die Anwendbarkeit von Methoden der Amtlichen Sammlung von Untersuchungsverfahren geprüft wird. Außerdem werden die Besonderheiten der Spezies Honigbienen-Drohnenbrut herausgestellt. Zur Beurteilung der aktuellen Rechtslage erfolgte neben der Einbeziehung der EU-Gesetzgebung eine Abfrage von 28 EU-Mitgliedsstaaten sowie der zuständigen Behörden für die Lebensmittelüberwachung der 16 Bundesländer in Deutschland bezüglich des aktuellen Umgangs mit Speiseinsekten und zu Änderungen, die im Zusammenhang mit den Übergangsregelungen der Verordnung (EU) 2015/2283 stehen. Zur Prüfung der Anwendbarkeit der Methoden der Amtlichen Sammlung von Untersuchungsverfahren nach § 64 Lebens- und Futtermittelgesetzbuch für die Parameter Wasser, Asche, Rohprotein, Fett und Natrium als standardisierte Methoden zur Bestimmung der Nährwerte, wurden vier Insektenspezies ausgewählt. Für diese lag bereits ein Antrag als neuartige Lebensmittel vor und sie repräsentierten die Variabilität dieser Lebensmittelmatrix. Nach Probenvorbereitung und Homogenitätstest erfolgte ein Werteabgleich mit vier Laboren. Um die Ergebnisse mit den entsprechenden Vorgaben zu vergleichen, wurden mit der Hilfe von unabhängigen Zielstandardabweichungen z-Scores berechnet und zur Leistungsbewertung herangezogen. In einem Übersichtsartikel wurden zudem Informationen zu der Nährstoffzusammensetzung, Sensorik, bisherigen Verwendungsmöglichkeiten, zum rechtlichen Rahmen und zu Risiken von Drohnenbrut als Lebensmittel zusammengefasst. Außerdem erfolgten mittels Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung Untersuchungen zum Nachweis von Pestizidrückständen in 37 Drohnenbrutproben. Die Darstellung der geltenden rechtlichen Aspekte sowie deren Umsetzung in den EU-Mitgliedsstaaten sowie in den Bundesländern in Deutschland zeigen, dass der gesetzliche Rahmen des Inverkehrbringens von Speiseinsekten bisher nicht mit dem von Lebensmitteln anderer Kategorien vergleichbar ist. Die Notwendigkeit der Anpassungen der gültigen Vorgaben vor allem in den Bereichen Kennzeichnung, allgemeinen Hygienevorschriften, tierseuchen-, tierschutz- sowie umweltrechtlichen Aspekten wurde herausgestellt. Es konnte außerdem nachgewiesen werden, dass die überprüften Methoden zur Bestimmung der Parameter Wasser, Asche, Rohprotein, Gesamtfett und Natrium die spezifischen Anforderungen für gefrorene Speiseinsekten erfüllen. Damit können sie nach einer Verifizierung als standardisierte Methoden von Laboren eingesetzt werden. Im Rahmen der eigenen Untersuchungen konnten keine Pestizidrückstände in Drohnenbrut detektiert werden. Auch die Zusammenfassung der bisherigen Studien ergaben keine Gefahren für die Verbraucher. Aufgrund der geringen Datenmengen sollten jedoch weitere Studien und regelmäßige Kontrollen durchgeführt werden. Die vorliegende Dissertation liefert für Produzenten, Unternehmer, gesetzgebende Institutionen und überwachende Behörden einen Überblick darüber, welche Vorgaben aktuell gelten und welche rechtlichen Überarbeitungen zukünftig notwendig sind. Außerdem wurde mit Hilfe der neuen Erkenntnisse die Beurteilung von Insektenproben nicht nur vereinfacht, sondern auch vereinheitlicht und damit vergleichbar gemacht. Da bisher keine Gefahren ausgehend von Drohnenbrut als Lebensmittel festgestellt werden konnten, ist deren Nutzung nicht nur ökologisch und ernährungsphysiologisch sinnvoll, sondern kann daneben einen Baustein zur Sicherstellung der Versorgung der anwachsenden Menschheit liefern. Von besonderer Bedeutung für die Etablierung von Speiseinsekten auf dem deutschen Markt sind die zeitnahe Publikation einer nationalen Leitlinie sowie Aufklärungsarbeit bezüglich Insekten als Lebensmittel zu leisten.

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