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Assessing pesticide effects on macroinvertebrates under field relevant conditions
2020 & 2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-09
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-00825
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/810944/files/810944.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
adaptation to pesticides (frei) ; daphnia magna (frei) ; ecotoxicology (frei) ; gammarus pulex (frei) ; metabolomics (frei) ; mixture toxicity (frei) ; multiple stress (frei) ; synergism (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
Kurzfassung
Die Verunreinigung von Gewässern mit Pestiziden kann aquatische Makroinvertebraten unterhalb der gesetzlich zulässigen Konzentrationen beeinträchtigen. Zugleich können niedrige Pestizidkonzentrationen die Anpassung von Organismen forcieren. Aquatische Organismen sind oft mehreren Stressoren ausgesetzt, die gleichzeitig oder nacheinander wirken, darunter Agrochemikalien und suboptimale Umweltbedingungen. Über die Auswirkungen von Pestiziden auf aquatische Makroinvertebraten unter feldrelevanten Bedingungen ist bisher nur wenig bekannt. Um die bestehende Risikobewertung zu verbessern, sollen in dieser Dissertation bedeutsame Faktoren für Pestizidwirkungen im Feld bewertet werden, die noch nicht hinreichend verstanden wurden. Die Dissertation trägt außerdem zum Verständnis der Anpassung an Pestizide sowie der Bewertung des toxischen Drucks auf Markoinvertebratengemeinschaften bei. Sie erweitert die Erkenntnisse in Bezug auf Interaktionen in Mixturen und die Rolle von Umweltstressoren für die ökotoxikologischen Wirkungen von Pestiziden. Um Umweltparameter zu identifizieren, die die Entwicklung der Pestizidtoleranz beeinflussen, wurde eine Felduntersuchung durchgeführt (Kapitel 2). Gammarus pulex wurden an 15 Standorten in Mitteldeutschland gesammelt, welche ein breites Spektrum von unkontaminierten bis hochkontaminierten Flüssen abdeckten. Populationen aus kontaminierten Bächen zeigten im Vergleich zu nicht exponierten Populationen eine dreimal höhere Toleranz gegenüber dem Insektizid Clothianidin. Diese Toleranz stieg mit zunehmender Entfernung zum nächstgelegenen nicht kontaminierten Schutzgebiet vom 2- auf das 4-fache. Demnach wurden der lokale toxische Druck und die Entfernung vom Schutzgebiet als wichtige Faktoren, die die Entwicklung von Pestizidresistenzen förderten, identifiziert. In der zweiten Untersuchung (Kapitel 3) wurde die Pestizid-Körperbelastung untersucht, um die Pestizid-Exposition und die möglichen Auswirkungen auf Süßwasserorganismen zu bewerten. Die Körperbelastungen des Krustentieres G. pulex wurden in äquivalente Pestizidkonzentrationen des Wassers umgerechnet und mit den beobachteten ökologischen Auswirkungen auf Süßwassermakroinvertebraten in Verbindung gebracht. Der von der Körperbelastung abgeleitete toxische Druck war erwies sich als zuverlässiges Instrument, um die Pestizidwirkung auf die Zusammensetzung der Makroinvertebratengemeinschaft und die Entwicklung der Insektizidtoleranz bei G. pulex zu erklären. Zum besseren Verständnis der Wirkung von multiplen Stressoren in der Umwelt (Kapitel 4) wurde die Wechselwirkung zwischen Nahrungsstress und einer Mischung aus einem Pyrethroid Esfenvalerat und Prochloraz untersucht. Zur Vorhersage der gemeinsamen Auswirkungen von multiplen Stressfaktoren wurden gängige Modelle, d.h. Effektaddition (EA), Konzentrationsaddition (CA) und Stressadditionsmodell (SAM), verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Stärke der Wechselwirkung zwischen Esfenvalerat und Prochloraz mit zunehmender Konzentration von Prochloraz zunahm. Die Kombination beider Pestizide mit zusätzlichem Nahrungsmittelstress verursachte selbst bei 1 µg/L Prochloraz stark synergistische Effekte. Darüber hinaus wurden die synergistischen Effekte von Pestiziden und Lebensmittelstress am besten mit dem SAMModell vorhergesagt. Die vierte Untersuchung trug zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen von verzögerten Wirkungen bei sehr geringer Pestizidbelastung im Feld bei (Kapitel 5). Die metabolische Reaktion von Daphnia magna, die bei suboptimaler Nahrungszufuhr einem Pyrethroid, Esfenvalerat, ausgesetzt war, wurde untersucht. Metabolischen Wirkungen wurden bereits bei extrem niedrigen Konzentrationen beobachtet und waren bei geringer Nahrungszufuhr noch stärker ausgeprägt. Hauptursächlich für extreme Stressbedingungen war die Wechselwirkung zwischen Nahrungsmangel und toxischem Druck, wodurch eine starke Reduktion verschiedener Metabolite verursacht wurde.Exposure to pesticides may affect non-target aquatic macroinvertebrates even below the regulatory acceptable concentrations. Similar low pesticide concentrations can force the organisms for adaptation. Aquatic organisms are often exposed to multiple stressors acting simultaneously or sequentially, including agrochemicals and suboptimal environmental conditions. However, a little is known about the pesticide effects on aquatic macroinvertebrates under field relevant conditions. In order to improve the existing risk assessment, this dissertation aims to assess important factors for pesticide effects in the field that are still not well understood. It contributes to the understanding of adaptation to pesticides, assessment of toxic pressure, interaction of mixtures, and the role of environmental stressors for the eco-toxicological effects of pesticides. To identify environmental parameters that govern the development of increased pesticide tolerance, a field investigation was conducted (Chapter 2). Gammarus pulex were collected from 15 sites within the central Germany that cover a wide range from un-contaminated to highly contaminated streams. Populations from contaminated streams showed almost 3-fold higher tolerance to the neonicotinoid insecticide clothianidin as compared to non-exposed populations. This tolerance of exposed populations increased from 2- to 4-fold with increasing distance to the next refuge area. Thus, distance from the refuge area and local toxic pressure were important factors that drive the development of pesticide resistance.In the second investigation (Chapter 3), pesticide body burden was applied to assess the pesticide exposure and potential effects in freshwater organisms. Body burdens of a crustacean G. pulex were converted into equivalent pesticide concentrations in the water, and linked with the observed ecological effects on freshwater macroinvertebrates. The toxic pressure derived from body burden was reliable to explain the effect on the macroinvertebrate community composition and the development of insecticide tolerance in G. pulex. For better understanding of multiple stressors in the environment (Chapter 4), interaction between food stress and a mixture of a pyrethroid esfenvalerate and prochloraz was investigated. To predict the joint effects of multiple stress, commonly applied models i.e. effect addition (EA), concentration addition (CA), and stress addition model (SAM) were compared. Results showed that the strength of interaction between esfenvalerate and prochloraz was increased with an increasing concentration of prochloraz. The combination of both pesticides and food stress caused highly synergistic effects even at 1 µg/L of prochloraz. Moreover, synergistic effects of pesticides and food stress were predicted best with the SAM model. The fourth investigation contributed to understand the mechanisms behind delayed effects at very low pesticide exposure in the field (Chapter 5). The metabolic response of Daphnia magna exposed to a pyrethroid esfenvalerate under suboptimal food supply was investigated. Metabolomic effects were observed at ultra-low concentrations, and were more pronounced under low food conditions. Interaction between food- and chemical stress was mainly responsible for extreme stress, and thereby strong down-regulation of different metabolites.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020894751
Interne Identnummern
RWTH-2021-00825
Datensatz-ID: 810944
Beteiligte Länder
Germany
