Ziel der Arbeit war es, die Hypothese von CARNEY & ELSER (1990), dass unter mesotrophen Bedingungen die trophische Transfereffizienz vom Phytoplankton zum Crustaceenplankton maximal ist, in einem Ganz-Seen-Experiment zu überprüfen. Die Untersuchungen erfolgten im Rahmen des Projektes "Top-Down-Steuerung planktischer Biozönosen" am mesotrophen Großen Vätersee (Brandenburg). Die Fragen, welchen Einfluß das Crustaceenplankton auf die Primärproduzenten ausübt, wie die Primärproduzenten auf den Grazingdruck reagieren, und welche Verhaltensweisen der Crustaceen die Kopplungsstärke zu den Primärproduzenten oder den Prädatoren kausal beeinflussen, standen im Mittelpunkt. Primärproduktion (PPR) und Crustaceengrazing wurden in situ gemessen, Crustaceen-biomassen, -produktion und -verteilung bestimmt und mit den Daten der angrenzenden Teilprojekte in Beziehung gesetzt. Der prozentuale Anteil des Nanoplanktons an der absoluten PPR erreichte im Durchschnitt 52 %. Die Chl a spezifische PPR dieser Fraktion war signifikant positiv korreliert mit den effektiven Filtrierraten der Daphnien. Die spezifische PPR von Pico- und Netzphytoplankton blieb von den effektiven Filtrierraten unbeeinflusst. Die Blaualgen, Hauptbestandteil des Picoplanktons, stellten eine schlechte Nahrungsquelle für Daphnien dar. Dies zeigten Laborversuche zur Nahrungsqualität. Durch den hohen Beitrag des Nanoplanktons an der PPR bestand zwischen den Primärproduzenten und den Crustaceen eine starke Kopplung. 1998 betrug die Konsumtions-Transfereffizienz von den Primärproduzenten zu den Crustaceen 25 %. Im Vergleich dazu war der Anteil der Planktivorenkonsumtion an der Produktion der Crustaceen mit 14 % deutlich geringer. Die Konsumtion erklärte im Frühsommer während der hohen Verluste der Daphnien maximal 20 % der Mortalität. Kam es im Hochsommer zu höheren Abundanzen invertebrater Räuber, war deren Prädationsdruck hoch genug, die Daphnienpopulation auf niedrigem Niveau zu halten. Somit war der Top-down-Druck der Planktivoren auf die Daphnien sehr gering. Eine Nahrungskettensteuerung durch Besatz mit Piscivoren würde keine Verminderung der Mortalität der Crustaceen zur Folge haben, sondern eher den Fraßdruck auf Cladoceren durch erhöhte Abundanzen der invertebraten Räuber verstärken.

"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.

In large and complex systems, failures can have dramatic consequences, such as black-outs, pandemics or the loss of entire classes of an ecosystem. Nevertheless, it is a centuries-old intuition that by using networks to capture the core of the complexity of such systems, one might understand in which part of a system a phenomenon originates. I investigate this intuition using spectral methods to decouple the dynamics of complex systems near stationary states into independent dynamical modes. In this description, phenomena are tied to a specific part of a system through localized eigenvectors which have large amplitudes only on a few nodes of the system's network. Studying the occurrence of localized eigenvectors, I find that such localization occurs exactly for a few small network structures, and approximately for the dynamical modes associated with the most prominent failures in complex systems. My findings confirm that understanding the functioning of complex systems generally requires to treat them as complex entities, rather than collections of interwoven small parts. Exceptions to this are only few structures carrying exact localization, whose functioning is tied to the meso-scale, between the size of individual elements and the size of the global network. However, while understanding the functioning of a complex system is hampered by the necessary global analysis, the prominent failures, due to their localization, allow an understanding on a manageable local scale. Intriguingly, food webs might exploit this localization of failures to stabilize by causing the break-off of small problematic parts, whereas typical attempts to optimize technological systems for stability lead to delocalization and large-scale failures. Thus, this thesis provides insights into the interplay of complexity and localization, which is paramount to ascertain the functioning of the ever-growing networks on which we humans depend.

In large and complex systems, failures can have dramatic consequences, such as black-outs, pandemics or the loss of entire classes of an ecosystem. Nevertheless, it is a centuries-old intuition that by using networks to capture the core of the complexity of such systems, one might understand in which part of a system a phenomenon originates. I investigate this intuition using spectral methods to decouple the dynamics of complex systems near stationary states into independent dynamical modes. In this description, phenomena are tied to a specific part of a system through localized eigenvectors which have large amplitudes only on a few nodes of the system's network. Studying the occurrence of localized eigenvectors, I find that such localization occurs exactly for a few small network structures, and approximately for the dynamical modes associated with the most prominent failures in complex systems. My findings confirm that understanding the functioning of complex systems generally requires to treat them as complex entities, rather than collections of interwoven small parts. Exceptions to this are only few structures carrying exact localization, whose functioning is tied to the meso-scale, between the size of individual elements and the size of the global network. However, while understanding the functioning of a complex system is hampered by the necessary global analysis, the prominent failures, due to their localization, allow an understanding on a manageable local scale. Intriguingly, food webs might exploit this localization of failures to stabilize by causing the break-off of small problematic parts, whereas typical attempts to optimize technological systems for stability lead to delocalization and large-scale failures. Thus, this thesis provides insights into the interplay of complexity and localization, which is paramount to ascertain the functioning of the ever-growing networks on which we humans depend.:1 Introduction 2 Concepts and Tools 2.1 Networks 2.2 Food webs 2.3 Dynamics on networks 2.4 Steady state operating modes 2.5 Bifurcations affecting operating modes 2.6 Dynamical modes 2.7 Generalized models for food webs 3 Perturbation Impact 3.1 Impact of perturbations on food webs 3.2 Examples 3.3 Impact formulation with dynamical modes 3.4 Influence and sensitivity of species 3.5 Localized dynamical modes 3.6 Iterative parameter estimation 3.7 Most important parameters and species 3.8 Discussion 4 Exact Localization 4.1 Graph symmetries 4.2 Localized dynamics on symmetries 4.3 Exactly localized dynamics 4.4 Symmetry reduction in networks 4.5 Application to food webs 4.6 Localization on asymmetric structures 4.7 Nearly-exact localization 4.8 Other systems 4.9 Discussion 5 Approximate Localization 5.1 Spread of a dynamical mode 5.2 Examples for localized instabilities 5.3 Localization of extreme eigenvalues 5.4 Dependence on the system size 5.5 Localization in the model of R. May 5.6 Finding motifs that carry localization 5.7 (Self-)stabilization of food webs 5.8 Repairing localized instabilities 5.9 Discussion 6 Conclusions Acknowledgments Appendix A Parametrization of the Gatun Lake food web B The Master Stability Function approach C Approximate localization on larger structures Bibliography

"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.

Ziel der Arbeit war eine möglichst umfassende Analyse der Nahrungsbedingungen von D. galeata unter Berücksichtigung der damit verbundenen Strategien der Daphnien zur Optimierung des Nahrungserwerbs, um den Einfluß dieser Faktoren bezüglich des Auftretens einer Sommerdepression der Daphnien zu beurteilen. Aufbauend auf den bereits vorhandenen Kenntnissen aus der Literatur sollte dazu im Rahmen der Arbeit festgestellt werden, ob morphologische Veränderungen des Filtrationsapparates der Daphnien (Ausbildung großer, hydrodynamisch dichter Filter), die als Reaktion auf die geringen Nahrungsmengen im Klarwasserstadium auftreten, bei einer drastischen Erhöhung der Nahrungskonzentration zu einer "Überlastung" der Filterbeine der Daphnien, zu hohen Energieausgaben und schließlich zu erhöhter Mortalität (Sommerdepression) führen können. Hauptziel war dabei die Klärung der Frage, ob bottom-up gesteuerte schnelle Veränderungen im Nahrungsangebot, wie sie für geringe bottom-up Limitation (Hypertrophie) typisch sind, eine erhöhte Mortalität bei Daphnien hervorrufen können. Die Beantwortung dieser Fragestellung ist wichtig, um die Effizienz der top-down Steuerung (Biomanipulation) als ökotechnologische Maßnahme zur Gewässersanierung zu erhöhen. Dazu wurden in der biomanipulierten Talsperre Bautzen in drei Untersuchungsjahren (1997 - 1999) wichtige bottom-up wirkende Steuerfaktoren der Daphnienentwicklung sowie morphologische Charakteristika der Filterkämme und physiologische Leistungskriterien von D. galeata vor und während der Zeit des potentiellen Auftretens einer Sommerdepression untersucht. Aus den Ergebnissen ließ sich ableiten, daß das Zusammenspiel der vielfältigen Anpassungsmöglichkeiten der Daphnien in einem bestimmten Variationsbereich der Steuerfaktoren eine erfolgreiche Strategie zur Optimierung der Nahrungsaufnahme darstellen kann. Werden jedoch bestimmte Schwellenwerte über- oder unterschritten, ist eine Kompensation durch die Anpassungsstrategien nicht oder nur bedingt möglich. Dabei kann durch verschiedene Ursachen der gleiche Effekt (Mortalität adulter Daphnien) auftreten, was die Interpretation erschwert. Dieser Effekt wird besonders bei adulten Daphnien durch die gegenüber juvenilen Daphnien höheren Filterwiderstände und die damit verringerte effektive Energieaufnahme begünstigt. Erst wenn ungünstige Nahrungsbedingungen und die am Ende der Klarwasserphase beobachteten ungünstigen Konstellationen der Filterkämme zusammentreffen (timing), tritt die erhöhte Mortalität adulter Daphnien auf. Die Ergebnisse der Untersuchungen unterstreichen damit die Bedeutung von Ganzsee-Experimenten und die möglichst simultane Erfassung verschiedener Zustandsgrößen, um eine umfassende Kausalanalyse der Sommerdepression der Daphnien zu ermöglichen, zu der die vorliegende Arbeit einen Beitrag liefert. Für den Erfolg der Biomanipulation konnte daher geschlußfolgert werden, daß eine nachhaltige Wirkung nur dann erreicht werden kann, wenn zusätzlich zur top-down Steuerung des Nahrungsnetzes gleichzeitig eine erfolgreiche Kontrolle der bottom-up Prozesse im Gewässer realisiert wird, indem starke Schwankungen von bottom-up Faktoren vermieden werden und damit das System insgesamt stabilisiert wird. / The occurrence of midsummer declines of daphnids is often related to poor food conditions or fish predation. In this three-year-study on the midsummer decline of Daphnia galeata field investigations in the highly eutrophic biomanipulated Bautzen reservoir were combined with flow-through experiments in the laboratory. The following hypothesis was tested: The inability of adult Daphnia to reduce the filtering area of their feeding appendages in response to fast increasing food levels after a clear-water phase enhances adult mortality. During the clear-water phase daphnids develop large and dense filtercombs to optimise their filter feeding. When food concentrations increase, however, this adaptation to low-food situation may be inappropriate due to too high energy consumtion. As adult daphnids cannot reduce the size of their feeding appendages, the filtration process may be hindered when seston concentrations rise, resulting in reduced fitness and increasing adult mortality. Indeed, adult survival in the laboratory (predation excluded) drastically decreased exactly at that time when the Daphnia galeata population in Bautzen reservoir declined. However, enhanced mortality was found irrespective of different food conditions offered during the experiments. It is concluded that increased mortality of adult daphnids is not an direct effect of their inability to adapt the morphology of their filtercombs to high seston concentrations. Furthermore daphnids are able to compensate unfavorable food conditions within a certain range by different kinds of adaptation mechanisms. Therefore the timing of the changes of food conditions and the adaptations of daphnids is most important to the efficiency of energy gain of the daphnids. Concerning the success of biomanipulation it is concluded that in addition to the regulation of top-down mechanisms there is an urgent need for control of bottom-up processes in order to stabilize the ecosystem.

Ziel der Arbeit war es, die Hypothese von CARNEY & ELSER (1990), dass unter mesotrophen Bedingungen die trophische Transfereffizienz vom Phytoplankton zum Crustaceenplankton maximal ist, in einem Ganz-Seen-Experiment zu überprüfen. Die Untersuchungen erfolgten im Rahmen des Projektes "Top-Down-Steuerung planktischer Biozönosen" am mesotrophen Großen Vätersee (Brandenburg). Die Fragen, welchen Einfluß das Crustaceenplankton auf die Primärproduzenten ausübt, wie die Primärproduzenten auf den Grazingdruck reagieren, und welche Verhaltensweisen der Crustaceen die Kopplungsstärke zu den Primärproduzenten oder den Prädatoren kausal beeinflussen, standen im Mittelpunkt. Primärproduktion (PPR) und Crustaceengrazing wurden in situ gemessen, Crustaceen-biomassen, -produktion und -verteilung bestimmt und mit den Daten der angrenzenden Teilprojekte in Beziehung gesetzt. Der prozentuale Anteil des Nanoplanktons an der absoluten PPR erreichte im Durchschnitt 52 %. Die Chl a spezifische PPR dieser Fraktion war signifikant positiv korreliert mit den effektiven Filtrierraten der Daphnien. Die spezifische PPR von Pico- und Netzphytoplankton blieb von den effektiven Filtrierraten unbeeinflusst. Die Blaualgen, Hauptbestandteil des Picoplanktons, stellten eine schlechte Nahrungsquelle für Daphnien dar. Dies zeigten Laborversuche zur Nahrungsqualität. Durch den hohen Beitrag des Nanoplanktons an der PPR bestand zwischen den Primärproduzenten und den Crustaceen eine starke Kopplung. 1998 betrug die Konsumtions-Transfereffizienz von den Primärproduzenten zu den Crustaceen 25 %. Im Vergleich dazu war der Anteil der Planktivorenkonsumtion an der Produktion der Crustaceen mit 14 % deutlich geringer. Die Konsumtion erklärte im Frühsommer während der hohen Verluste der Daphnien maximal 20 % der Mortalität. Kam es im Hochsommer zu höheren Abundanzen invertebrater Räuber, war deren Prädationsdruck hoch genug, die Daphnienpopulation auf niedrigem Niveau zu halten. Somit war der Top-down-Druck der Planktivoren auf die Daphnien sehr gering. Eine Nahrungskettensteuerung durch Besatz mit Piscivoren würde keine Verminderung der Mortalität der Crustaceen zur Folge haben, sondern eher den Fraßdruck auf Cladoceren durch erhöhte Abundanzen der invertebraten Räuber verstärken.

Die Akkumulation von lipophilen und biologisch persistenten Chlorkohlenwasserstoffen in der Nahrungskette und die infolgedessen auftretende relativ hohe Belastung gestillter Säuglinge hat zu Besorgnissen hinsichtlich möglicher negativer Folgen für die Gesundheit dieser Kinder geführt. Ein Fokus der Arbeit ist Frage, ob der Kontamination von Humanmilch mit polychlorierten Dibenzo-p-dioxinen (PCDDs, 'Dioxine'), Dibenzofuranen (PCDFs, 'Furanen') und Biphenylen (PCBs) in Deutschland zu messbaren Veränderungen sensibler biologischer Parametern führt. Blut wurde im Alter von 11 Monaten von gestillten (für mindestens 4 Monate, n=80) und nicht gestillten Kindern (n=21) entnommen zur umfangreichen Untersuchung des Immunsystems, von biologischen Parametern im Plasma und von Parametern der Schilddrüsenfunktion. Die direkte Messung von PCDDs, PCDFs und PCBs im Plasma bei den Kindern und deren Müttern konnte die erwartete Akkumulation dieser Verbindungen bestätigen, die etwa 4-fach höheren Werten beim Kind (im Vergleich zu mütterlichen Werten) nach einer langen Stillperiode vom 40 Wochen entspricht. Es konnte keine signifikante Korrelation von den untersuchten biologischen Parametern mit den Fremdstoff-Konzentrationen gefunden werden. Somit konnten keine biologischen Effekte dieser in der Muttermilch ungewünschten Verbindungen nachgewiesen werden, und die bestehende Stillempfehlung konnte bekräftigt werden. Der zweite Fokus der Arbeit beschäftigt sich mit der Frage von biologischen Wirkungen bei zwei Frauen, die gegenüber der am meisten toxischen Dioxin-Verbindung exponiert wurden: 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD). Diese Frauen hatten die höchsten je beim Menschen gemessenen Konzentrationen, eine der beiden leidet unter einer schweren Chlorakne. Es wurde ein breites Spektrum immunologischer Parameter untersucht sowie die Aktivität der Cytochrome P450 1A2 (CYP1A2) Aktivität in der Leber, die mit dem Koffein-Test gemessen wurde. Zum Vergleich wurden zwei Kontrollgruppen bestehend aus 30 Nichtrauchern bzw. 20 starken Rauchern untersucht unter Verwendung der gleichen Methoden. Die Ergebnisse des Koffein-Tests zeigen eine ca. 10-fach höhere CYP1A2-Aktivität bei den hoch TCDD-exponierten Frauen, während Tabakrauch (durchschnittlich 28 Zigaretten pro Tag) zu einem maximal 1,8-fachem Anstieg führte. Die immunologischen Untersuchungen zeigten keine Hinweise auf einen starken Einfluss von TCDD bei den hochexponierten Frauen. Es bestätigte sich, dass der Mensch relativ wenig sensibel ist in Hinblick auf die toxischen Effekte von TCDD. / The accumulation of lipophilic and biologically persistent chlorinated hydrocarbons in the food chain and the following relatively high exposure of breast-fed infants has caused concern about possible negative health effects in these children. One focus of the document is the question whether the contamination of human milk with polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs, 'dioxins'), dibenzofurans (PCDFs, 'furans') and biphenyls (PCBs) in Germany leads to measurable changes of sensitive biological parameters. Blood was taken from breast-fed (for at least four months, n=80) and formula-fed infants (n=21) at the age of 11 months for extensive investigations regarding the immune system and biological parameters in plasma including those of the thyroid function. From direct measurements of PCDDs, PCDFs and PCBs in plasma of the children and their mothers, the expected accumulation of the compounds was confirmed, corresponding to about 4-times higher values in the infant (compared to maternal values) following a long duration of breast-feeding of 40 weeks. For the different biological parameters investigated, no significant correlation with concentrations of the xenobiotics was found. Therefore, biological effects of these unwanted compounds in human milk. could not be detected, and the existing recommendation for breast-feeding was emphasized. The second focus of the document is the investigation of biological changes in two women exposed to the most toxic dioxin: 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). These women had the highest concentrations of this compound ever measured in adults, one of them suffering from severe chloracne. A broad panel of immunological parameters was measured as well as hepatic cytochrome P450 1A2 (CYP1A2) activity using the caffeine test. For comparison, two age-matched control groups of 30 non-smokers and 20 heavy smokers were studied using the same methods. Results of caffeine tests showed an about 10-fold increase of CYP1A2 activity in the highly TCDD-exposed women, whereas tobacco smoke (28 cigarettes per day on average) was found to increase the activity 1.8-times maximally. Immunological investigations did not reveal a strong impact of TCDD in these highly exposed women. These results confirm that humans are relatively insensitive to the toxic effects of dioxins.