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Referenztyp Qualifizierungsarbeiten
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Volltext Publikationsdokument einer UFZ-Veröffentlichung
Titel (primär) The influence of competition on effect and recovery from pesticides in freshwater zooplankton communities. Der Einfluss von Konkurrenz auf Effekt und Wiedererholung von Pestiziden in Zooplanktongemeinschaften im Süßwasser
Autor Knillmann, S.;
Journal / Serie PhD Dissertation
Erscheinungsjahr 2013
Department OEKOTOX;
Band/Volume 02/2013
Sprache englisch;
POF III (gesamt) T11;
Keywords Umwelttoxikologie; Zooplankton; Daphnia; Pestizid; Konkurrenz ; Ökotoxikologie; Esfenvalerat; Pestizide
UFZ Querschnittsthemen RU1;
UFZ Bestand Leipzig, Bibliothek, Reportsammlung, 00481748, 13-0846 F/E
Abstract Intra- and interspecific competition play an important role in natural communities. In addition, toxicants are reported to alter biotic interactions. However, little is known about the influence of competition on toxicant effects within the aquatic community context. The present PhD thesis contributes to the understanding of how competition alters effect and recovery from pesticides of sensitive taxa under natural conditions. Two microcosm experiments with zooplankton communities were conducted in 2008 and 2009 over a period of 4 and 5 months, respectively. In both experiments, communities were exposed to a pulse of the pyrethroid insecticide esfenvalerate (0.03, 0.3 and 3 µg/L). In the first experiment, the influence of competition on pesticide effects was investigated under an increased range of biotic interactions. For this purpose abiotic and biotic conditions were varied by shading and regular harvesting of the communities. In the second experiment, the combined effect of warming periods and exposure to esfenvalerate on the zooplankton communities was analysed. Following the general introduction in Chapter 1, the results on the interaction of competition and pesticide exposure are described within the first experiment (Chapters 2 and 3) as well as the second experiment (Chapters 3 and 4), focused on the sensitive genus Daphnia. The results of Chapter 2 show that the pesticide-related survival of Daphnia spp. strongly depended on their densities before contamination, independent of the treatments of shading and harvesting. High densities before contamination were assumed to increase intraspecific competition for food and space and thus to affect the fitness of the organisms at the individual level. Consequently, high intraspecific competition enhanced the pesticide sensitivity of Daphnia spp. by a factor of up to 100 within the community context. The recovery of Daphnia spp. from the effect of esfenvalerate is described in Chapter 3 (Experiment 1). The time needed for the recovery of populations was up to eight times longer than predicted by models using the population growth rates under optimal single species conditions. Interspecific competition with closely related but less sensitive Daphniidae was detected as the underlying process. Following a pesticide-related reduction of sensitive Daphnia spp., less sensitive Daphniidae benefitted from the resources released and increased in abundance. This indirect increase in less sensitive taxa in turn delayed the recovery of Daphnia spp. from esfenvalerate, especially at concentrations leading to partial mortality of the populations (0.03 and 0.3 µg/ L). The findings described in Chapters 2 and 3 were enabled by the exceptionally high number of replicates compared to similar experimental outdoor systems (n = 24 per concentration level). Chapter 4 is based on the second experiment, showing that the presence of short warming periods alone altered the community structure and thus the long-term biotic interactions. As a result, interspecific competition was prolonged under warming conditions, causing a delay in recovery of Daphnia spp. from 3 µg/L esfenvalerate that exceeded the recovery under ambient conditions by a factor of two. This study highlights that changing environmental conditions may further increase the influence of competition on the recovery of populations from toxicant stress. In conclusion, the thesis identifies and quantifies the role of intraspecific competition in increasing pesticide sensitivity, and interspecific competition in delaying the recovery of populations from pesticides in the community context. The outcomes can be used to reduce uncertainty and improve the predictive quality of the current risk assessment framework.


Intra- und interspezifische Konkurrenz spielen eine wichtige Rolle für Artgemeinschaften unter natürlichen Bedingungen. Zudem ist es bekannt, dass Schadstoffe biotische Interaktionen verändern können. Dennoch weiß man nur wenig über den Einfluss von Konkurrenz auf die Effekte von Schadstoffen im Kontext der Gemeinschaft. Die vorliegende Doktorarbeit trägt zum Verständnis bei, wie Konkurrenz den Effekt und die Wiedererholung von Schadstoffen bei sensitiven Taxa im Freiland verändert. Zwei Mikrokosmenexperimente mit Zooplanktongemeinschaften wurden 2008 und 2009 über eine Periode von jeweils 4 und 5 Monaten durchgeführt. In beiden Experimenten wurden die Gemeinschaften mit einer Pulskontamination mit dem pyrethroiden Insektizid Esfenvalerat (0.03, 0.3 und 3 µg/L) behandelt. Im ersten Experiment wurde der Einfluss von Konkurrenz unter einem erhöhten Spektrum von biotischen Interaktionen untersucht. Hierfür wurden abiotische und biotische Bedingungen durch Beschatten und regelmäßiges Auslesen der Gemeinschaften variiert. Im zweiten Experiment wurde die Kombinationswirkung von Wärmeperioden und Pestizid auf die Mikrokosmengemeinschaften untersucht. Nach der allgemeinen Einleitung in Kapitel 1, werden die Ergebnisse zu der Interaktion zwischen Konkurrenz und Pestizidexposition dargestellt. Der Schwerpunkt liegt auf der sensitiven Gattung Daphnia spp. im ersten Experiment (Kapitel 2 und 3), sowie auch im zweiten Experiment (Kapitel 4). Ergebnisse aus Kapitel 2 zeigen, dass die Überlebensraten von Daphnia spp. gegenüber Esfenvalerat stark von den Populationsdichten vor der Kontamination abhingen. Diese Abhängigkeit war unabhängig von der Behandlung mit Beschattung oder der Auslese von Organismen. Für hohe Dichten vor der Kontamination wurde angenommen, dass diese die intraspezifische Konkurrenz um Nahrung und Platz erhöhen und damit die Fitness der Individuen beeinträchtigen. Folglich nahm die Sensitivität von Daphnia spp. gegenüber dem Pestizid durch hohe intraspezifische Konkurrenz im Kontext der Gemeinschaft um einen Faktor von bis zu 100 zu. Die Wiedererholung von Daphnia spp. von der Belastung mit Esfenvalerat ist im Kaptiel 3 (Experiment 1) beschrieben. Die Zeit bis zur Wiedererholung der Populationsabundanz dauerte bis zu acht Mal länger als die Vorhersage von Modellen, die auf den Wachstumsraten von Populationen unter optimalen Bedingungen basieren. Als zugrunde liegender Prozess für die Verzögerung wurde die interspezifische Konkurrenz mit nahe verwandten, aber weniger sensitiven Daphniidae identifiziert. Nach der Abnahme von Daphnia spp. durch das Pestizid, konnten weniger sensitive Daphniidae von den freiwerdenden Ressourcen profitieren und anzahlmäßig zunehmen. Die indirekte Zunahme von insensitiven Taxa bewirkte wiederum eine verzögerte Wiedererholung von Daphnia spp. von der Pestizidbelastung. Dieser Zusammenhang war besonders deutlich bei Konzentrationen, die zu einer partiellen Mortalität der Populationen führten (0.03 und 0.3 µg/L). Die Resultate aus Kapitel 2 und 3 wurden zudem durch die außergewöhnlich hohe Anzahl an Replikaten im Vergleich zu ähnlichen Freilandsystemen ermöglicht (n = 24 pro Konzentration und Kontrolle). Das Kapitel 4 basiert auf dem zweiten Experiment und zeigt, dass die Präsenz von kurzen Wärmeperioden die Gemeinschaftsstruktur und somit langfristig die biotischen Interaktionen veränderte. Daraus resultierte ein verlängerter Einfluss von interspezifischer Interaktion unter warmen Bedingungen, was die Wiedererholung von Daphnia spp. bei 3 µg/L im Vergleich zu den Kontrollbedingungen um den Faktor zwei verzögerte. Diese Studie hebt hervor, dass die Veränderung von Umweltbedingungen die Bedeutung von Konkurrenz für die Wiedererholung von Schadstoffbelastungen zusätzlich verstärken kann. Abschliessend kann zusammengefasst werden, dass die vorliegende Arbeit qualitativ und quantitativ beschreibt, wie intraspezifische Konkurrenz die Pestizidsensitivität erhöht und auch wie interspezifische Konkurrenz die Wiedererholung von Populationen von Schadstoffen im Kontext der Gemeinschaft verlängert. Diese Ergebnisse können dazu verwendet werden um Unsicherheiten zu reduzieren und die Vorhersage von Schadstoffeffekten in der aktuellen Risikoabschätzung zu verbessern.
ID 13968
dauerhafte UFZ-Verlinkung https://www.ufz.de/index.php?en=20939&ufzPublicationIdentifier=13968
Knillmann, S. (2013):
The influence of competition on effect and recovery from pesticides in freshwater zooplankton communities. Der Einfluss von Konkurrenz auf Effekt und Wiedererholung von Pestiziden in Zooplanktongemeinschaften im Süßwasser
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH), Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
PhD Dissertation 02/2013
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, Leipzig, 118 pp.