Cost-effective experimental design to support modeling of concentration-response functions

Modeling concentration-response function became extremely popular in ecotoxicology during the last decade. Indeed, modeling allows determining the total response pattern of a given substance. However, reliable modeling is consuming in term of data, which is in contradiction with the current trend in ecotoxicology, which aims to reduce, for cost and ethical reasons, the number of data produced during an experiment. It is therefore crucial to determine experimental design in a cost-effective manner. In this paper, we propose to use the theory of locally D-optimal designs to determine the set of concentrations to be tested so that the parameters of the concentration-response function can be estimated with high precision. We illustrated this approach by determining the locally D-optimal designs to estimate the toxicity of the herbicide dinoseb on daphnids and algae. The results show that the number of concentrations to be tested is often equal to the number of parameters and often related to the their meaning, i.e. they are located close to the parameters. Furthermore, the results show that the locally D-optimal design often has the minimal number of support points and is not much sensitive to small changes in nominal values of the parameters. In order to reduce the experimental cost and the use of test organisms, especially in case of long-term studies, reliable nominal values may therefore be fixed based on prior knowledge and literature research instead of on preliminary experiments

pH Sensitive surfactants from lysine: assessment of their cytotoxicity and environmental behavior

The toxicity and environmental behavior of new pH-sensitive surfactants from lysine are presented. Three different chemical structures are studied: surfactants with one amino acid and one alkyl chain, surfactants with two amino acids on the polar head and one alkyl chain, and gemini surfactants. The pH sensitivity of these compounds can be tuned by modifying their chemical structures. Cytotoxicity has been evaluated using erythrocytes and fibroblast cells. The toxic effects against these cells depend on the hydrophobicity of the molecules as well as their cationic charge density. The effect of hydrophobicity and cationic charge density on toxicity is different for each type of cells. For erythrocytes, the toxicity increases as hydrophobicity and charge density increases. Nevertheless, for fibroblasts cationic charge density affects cytotoxicity in the opposite way: the higher charge density, the lower the toxicity. The effect of the pH on hemolysis has been evaluated in detail. The aquatic toxicity was established using Daphnia magna. All surfactants yielded EC50 values considerably higher than that reported for cationic surfactants based on quaternary ammonium groups. Finally, their biodegradability was evaluated using the CO2 headspace test (ISO 14593). These lysine derivatives showed high levels of biodegradation under aerobic conditions and can be classified as"readily biodegradable compounds".

Functional responses and heterogeneities: an experimental test with cladocerans

The functional response of predators is usually modelled as a function of absolute prey density. Arditi and Ginzburg have suggested that it should often depend instead on the prey available per capita of predators, i.e. on the prey/predator ratio. Theory suggests that these two forms of dependence are related to the degree of spatial and temporal heterogeneity. Experiments using four filter-feeding cladoceran species were designed to test this hypothesis and to investigate the relation between individual behaviour and population dynamics. The patterns of population abundance that the cladocerans reached at equilibrium match the expectation that species with homogeneous spatial behaviour follow prey-dependent dynamics while those with heterogeneous behaviour follow ratio-dependent dynamics.

Estudi de l'impacte ecotoxicològic de l'insecticida imidacloprid en diferents compartiments ambientals

En les darreres dècades la necessitat d’una major producció en l’agricultura ha implicat l’ús de productes químics per a millorar la producció. Entre aquests productes trobem els insecticides que, tot i ser específics per a determinades funcions, en molts casos acaben afectant també a altres organismes que no en són la diana. Els assajos d’ecotoxicitat són una eina clau per a determinar el grau d’afectació d’aquests insecticides. En aquest estudi es pretén determinar l’efecte de l’aplicació directa en el sòl de les dosis recomanades de l’insecticida Confidor 20SL (amb imidacloprid com a principi actiu) sobre Eisenia fetida i dels lixiviats d’aquests sòls sobre Daphnia magna i Selenastrum capricornutum simulant fenòmens d’escorrentia o lixiviació naturals. En el cas de E.fetida s’obté una LC50 de 24.71 mg/kg sòl i per la reproducció un valor de EC50 de 8.41 mg/kg sòl. S’observa allunyament en totes les dosis utilitzades i la EC50 és de 2.57 mg/kg sòl. No s’han pogut determinar efectes a nivell neurològic a partir de la determinació de l’activitat de l’ AChE. A l’exposar D.magna als lixiviats del sòl contaminat no s’han observat efectes clars ni en la mortalitat ni en la reproducció. El mateix succeeix amb S.capricornutum. Les dosis d’aplicació del pesticida Confidor, representen una amenaça per a E.fetida pel que fa a efectes subletals però no podem dir el mateix per als organismes aquàtics.

Reproducing the organic matter model of anthropogenic dark earth of Amazonia and testing the ecotoxicity of functionalized charcoal compounds

The objective of this work was to obtain organic compounds similar to the ones found in the organic matter of anthropogenic dark earth of Amazonia (ADE) using a chemical functionalization procedure on activated charcoal, as well as to determine their ecotoxicity. Based on the study of the organic matter from ADE, an organic model was proposed and an attempt to reproduce it was described. Activated charcoal was oxidized with the use of sodium hypochlorite at different concentrations. Nuclear magnetic resonance was performed to verify if the spectra of the obtained products were similar to the ones of humic acids from ADE. The similarity between spectra indicated that the obtained products were polycondensed aromatic structures with carboxyl groups: a soil amendment that can contribute to soil fertility and to its sustainable use. An ecotoxicological test with Daphnia similis was performed on the more soluble fraction (fulvic acids) of the produced soil amendment. Aryl chloride was formed during the synthesis of the organic compounds from activated charcoal functionalization and partially removed through a purification process. However, it is probable that some aryl chloride remained in the final product, since the ecotoxicological test indicated that the chemical functionalized soil amendment is moderately toxic.

pH Sensitive surfactants from lysine: assessment of their cytotoxicity and environmental behavior

The toxicity and environmental behavior of new pH-sensitive surfactants from lysine are presented. Three different chemical structures are studied: surfactants with one amino acid and one alkyl chain, surfactants with two amino acids on the polar head and one alkyl chain, and gemini surfactants. The pH sensitivity of these compounds can be tuned by modifying their chemical structures. Cytotoxicity has been evaluated using erythrocytes and fibroblast cells. The toxic effects against these cells depend on the hydrophobicity of the molecules as well as their cationic charge density. The effect of hydrophobicity and cationic charge density on toxicity is different for each type of cells. For erythrocytes, the toxicity increases as hydrophobicity and charge density increases. Nevertheless, for fibroblasts cationic charge density affects cytotoxicity in the opposite way: the higher charge density, the lower the toxicity. The effect of the pH on hemolysis has been evaluated in detail. The aquatic toxicity was established using Daphnia magna. All surfactants yielded EC50 values considerably higher than that reported for cationic surfactants based on quaternary ammonium groups. Finally, their biodegradability was evaluated using the CO2 headspace test (ISO 14593). These lysine derivatives showed high levels of biodegradation under aerobic conditions and can be classified as"readily biodegradable compounds".

No Accumulation of Transposable Elements in Asexual Arthropods.

Transposable elements (TEs) and other repetitive DNA can accumulate in the absence of recombination, a process contributing to the degeneration of Y-chromosomes and other nonrecombining genome portions. A similar accumulation of repetitive DNA is expected for asexually reproducing species, given their entire genome is effectively nonrecombining. We tested this expectation by comparing the whole-genome TE loads of five asexual arthropod lineages and their sexual relatives, including asexual and sexual lineages of crustaceans (Daphnia water fleas), insects (Leptopilina wasps), and mites (Oribatida). Surprisingly, there was no evidence for increased TE load in genomes of asexual as compared to sexual lineages, neither for all classes of repetitive elements combined nor for specific TE families. Our study therefore suggests that nonrecombining genomes do not accumulate TEs like nonrecombining genomic regions of sexual lineages. Even if a slight but undetected increase of TEs were caused by asexual reproduction, it appears to be negligible compared to variance between species caused by processes unrelated to reproductive mode. It remains to be determined if molecular mechanisms underlying genome regulation in asexuals hamper TE activity. Alternatively, the differences in TE dynamics between nonrecombining genomes in asexual lineages versus nonrecombining genome portions in sexual species might stem from selection for benign TEs in asexual lineages because of the lack of genetic conflict between TEs and their hosts and/or because asexual lineages may only arise from sexual ancestors with particularly low TE loads.

Eletrólise de resíduos poluidores: I - Efluente de uma indústria liofilizadora de condimentos

Wastewater from a seasoning freeze-drying industry was electrolysed to increase its biodegradability. Stainless-steel electrodes were used at 9.09 A/m², for up to 80 min. Conductivity, pH, biochemical (BOD) and chemical (COD) oxygen demands, Daphnia similis acute toxicity bioassays, and bacteria counting through the plate count agar method were determined after different times of electrolysis. The results (e.g. higher BOD and lower COD) showed that the biodegradability of the wastewater was significantly increased; furthermore, Fe2+ ions liberated by the electrodes cause microorganisms to die and, when oxidised to Fe3+, contribute for the flocculation and sedimentation of solid residues.

Constituintes químicos e efeito ecotoxicológico do óleo volátil de folhas de Eucalyptus urograndis (Mirtaceae)

The volatile oil from the leaves of E. urograndis was analyzed by GC and GC-MS. It was identified 10 compounds in which, orto-cimene (41.4%) and 1,8-cineol (25.8%) were the main constituents. The induction of deleterious effect to aquatic organisms due to the presence of volatile oil lixiviated from E. urograndis leaves was studied using Daphnia laevis and D. similis as bioindicators. Through the results of toxicological tests it was possible to show that the litterbag of E. urograndis represents a risk factor for the aquatic ecosystem of lakes and rivers that are in the surrounding area of large scale Eucalyptus plantations. The method can be used for monitor the quality of these types of aquatic environments.

Effects of algal turbidity on foraging and antipredator behaviour of the three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus)

The aim of this thesis was to examine how aquatic organisms, such as fish, behave in an altered environmental condition. Many species of fish use vision as their primary tool to gain information about their surrounding environment. The visual conditions of aquatic habitats are often altered as a result of anthropogenic disturbance, such as eutrophication that initiates algal turbidity. In general, turbidity reduces the visibility and can be hypothesized to have an influence on the behaviour of fish. I used the three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus) as a model species and conducted four studies in the laboratory to test how algal turbidity affects its behaviour. In this thesis, two major behavioural aspects are discussed. The first is antipredator behaviour. In study I, the combined effects of turbidity and shoot density on habitat choice (shelter vs open) behaviour was tested on a group of sticklebacks (20 fish) in the presence and absence of piscivorous perch (Perca fluviatilis). In study II, I examined the behavioural responses of feeding sticklebacks when they were exposed to the sudden appearance of an avian predator (the silhouette of a common tern, Sterna hirundo). The study was done in turbid and clear water using three different groups sizes (1, 3 and 6 fish). The second aspect is foraging behaviour. Study III & IV focused on the effects of algal turbidity on the foraging performance of sticklebacks. In study III, I conducted two separate experiments to examine the effects of turbidity on prey consumption and prey choice of sticklebacks. In this experiment turbidity levels and the proportion of large and small prey (Daphnia spp.) were manipulated. In study IV, I studied whether a group of six sticklebacks can distribute themselves according to food input at two feeding stations in a way that provided each fish with the same amount of food in clear and turbid water. I also observed whether the fish can follow changes in resource distribution between the foraging patches. My results indicate an overall influence of algal turbidity on the antipredator and foraging behaviour of sticklebacks. In the presence of a potential predator, the use of the sheltered habitat was more pronounced at higher turbidity. Besides this, sticklebacks reduced their activity levels with predator presence at higher turbidity and shoot density levels, suggesting a possible antipredator adaptation to avoid a predator. When exposed to a sudden appearance of an avian predator, sticklebacks showed a weaker antipredator response in turbid water, which suggests that turbidity degrades the risk assessment capabilities of sticklebacks. I found an effect of group size but not turbidity in the proportion of sticklebacks that fled to the shelter area, which indicates that sticklebacks are able to communicate among group members at the experimental turbidity levels. I found an overall negative effect of turbidity on food intake. Both turbidity and changes in the proportion of prey sizes played a significant role in a stickleback’s prey selection. At lower turbidity levels (clear <1 and 5 NTU) sticklebacks showed preferences for large prey, whereas in more turbid conditions and when the proportion of large to small prey increased sticklebacks became increasingly random in their prey selection. Finally, my results showed that groups of sticklebacks disperse themselves between feeding stations according to the reward ratios following the predictions of the ideal free distribution theory. However, they took a significantly longer time to reach the equilibrium distribution in turbid water than in clear water. In addition, they showed a slower response to changes in resource distribution in a turbid environment. These findings suggest that turbidity interferes with the information transfer among group foragers. It is important to understand that aquatic animals are often exposed to a degraded environment. The findings of this thesis suggest that algal turbidity negatively affects their behavioural performance. The results also shed light on the underlying behavioural strategies of sticklebacks in turbid conditions that might help them adapt to an altered environmental situation and increase their survival. In conclusion, I hold that although algal turbidity has detrimental effects on the antipredator and foraging behaviour of sticklebacks, their behavioural adjustment might help them adapt to a changing environment.

Bioaccumulation du méthylmercure chez les invertébrés aquatiques aux latitudes tempérées et polaires : rôle des facteurs écologiques, biologiques et géochimiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Zooplankton structure and dynamics in Mediterranean marshes (Empordà Wetlands): a size-based approach

Zooplankton community structure (composition, diversity, dynamics and trophic relationships) of Mediterranian marshes, has been analysed by means of a size based approach. In temporary basins the shape of the biomass-size spectra is related to the hydrological cycle. Linear shape spectra are more frequent in flooding situations when nutrient input causes population growth of small-sized organisms, more than compensating for the effect of competitive interactions. During confinement conditions the scarcity of food would decrease zooplankton growth and increase intra- and interspecific interactions between zooplankton organisms which favour the greatest sizes thus leading to the appearance of curved shape spectra. Temporary and permanent basins have similar taxonomic composition but the latter have higher species diversity, a more simplified temporal pattern and a size distribution dominated mainly by smaller sizes. In permanents basins zooplankton growth is not only conditioned by the availability of resources but by the variable predation of planktivorous fish, so that the temporal variability of the spectra may also be a result of temporal differences in fish predation. Size diversity seems to be a better indicator of the degree of this community structure than species diversity. The tendency of size diversity to increase during succession makes it useful to discriminate between different succession stages, fact that is not achieved by analysing only species diversity since it is low both under large and frequent or small and rare disturbances. Amino acid composition differences found among stages of copepod species indicate a gradual change in diet during the life cycle of these copepods, which provide evidence of food niche partitioning during ontogeny, whereas Daphnia species show a relatively constant amino acid composition. There is a relationship between the degree of trophic niche overlap among stages of the different species and nutrient concentration. Copepods, which have low trophic niche overlap among stages are dominant in food-limited environments, probably because trophic niche partitioning during development allow them to reduce intraspecific competition between adults, juveniles and nauplii. Daphnia species are only dominant in water bodies or periods with high productivity, probably due to the high trophic niche overlap between juveniles and adults. These findings suggest that, in addition to the effect of interspecific competition, predation and abiotic factors, the intraspecific competition might play also an important role in structuring zooplankton assemblages.

Food webs of Mediterranean coastal wetlands

En aquesta tesi doctoral s'han estudiat els efectes directes i indirectes de dos tipus d'espècies claus de la comunitat aquàtica dels aiguamolls de l'Empordà (aiguamolls costaners mediterranis amb una xarxa tròfica senzilla). S'han realitzat experiments al camp utilitzant microcosmos i mesocosmos i els resultats han estat analitzats mitjançant tres aproximacions: la taxonòmica, la funcional i la de mides. S'ha comprovat que en situacions amb absència de predadors i dominància d'una única espècie en el zooplàncton (en aquest cas Calanipeda aquaedulcis i Daphnia magna), la segregació del recurs entre els diferents estadis de desenvolupament de la mateixa espècie zooplanctònica és una estratègia per evitar la competència intraespecífica en condicions de limitació de recurs. Per altra banda, la presència de diferents top-predators a la comunitat aquàtica (en aquest cas la medusa Odessia maeotica i el peix Aphanius iberus) desencadena una cascada tròfica en el plàncton però amb efectes top-down diferents segons el top-predator.

Toxicity testing of groundwater quality

Groundwater is an important resource in the UK, with 45% of public water supplies in the Thames Water region derived from subterranean sources. In urban areas, groundwater has been affected by onthropogenic activities over 0 long period of time and from a multitude of sources, At present, groundwater quality is assessed using a range of chemical species to determine the extent of contamination. However, analysing a complex mixture of chemicals is time-consuming and expensive, whereas the use of an ecotoxicity test provides information on (a) the degree of pollution present in the groundwater and (b) the potential effect of that pollution. Microtox (TM), Eclox (TM) and Daphnia magna microtests were used in conjunction with standard chemical protocols to assess the contamination of groundwaters from sites throughout the London Borough of Hounslow and nearby Heathrow Airport. Because of their precision, range of responses and ease of use, Daphnia magna and Microfox (TM) tests are the bioassays that appear to be most effective for assessing groundwater toxicity However, neither test is ideal because it is also essential to monitor water hardness. Eclox (TM) does not appear to be suitable for use in groundwater-quality assessment in this area, because it is adversely affected by high total dissolved solids and electrical conductivity.