Persistent disruption of interspecific competition after ultra-low esfenvalerate exposure

Field and mesocosm studies repeatedly show that higher tier process reduce the predictive accuracy of toxicity evaluation and consequently their value for pesticide risk assessment. Therefore, understanding the influence of ecological complexity on toxicant effects is crucial to improve realism of aquatic risk assessment. Here we investigate the influence of repeated exposure to ecologically realistic concentrations of esfenvalerate on the similarly sensitive species Daphnia magna and Culex pipiens in a food limited and highly competitive environment. We show that significant perturbations in population development are only present close to the EC50. In contrast, interspecific competition between species is already reduced at concentrations 3-4 orders of magnitude below the acute EC50. We conclude that extremely low, environmentally relevant concentrations can disrupt species interactions. This toxicant mediated alteration of competitive balances in ecological communities may be the underlying mechanism for shifts in species distribution at ultra-low pesticide concentrations. A realistic risk assessment should therefore consider these processes in order to predict potential pesticide effects on the structure of communities

Charakterisierung von Mückenbrutplätzen im Roßlauer Oberluch

Das Roßlauer Oberluch bietet mit seinen Feuchtflächen ideale Lebensräume für eine artenreiche Fauna und Flora. Auch Stechmücken finden hier gute Reproduktionsbedingungen. Auf Grund der prognostizierten Klimaerwärmung könnten sich diese Bedingungen sogar noch verbessern, denn starke Regenfälle, Überschwemmungen und hohe Temperaturen begünstigen die Fortpflanzung von Stechmücken. Neben den Faktoren, die die Entwicklung der Mücken fördern, wirken natürlich auch regulierende Mechanismen. Neben Fressfeinden spielen Nahrungskonkurrenten eine wichtige Rolle für den Bestand einer Art. Während die Fressfeinde bereits gut untersucht sind, ist über die Nahrungskonkurrenten der Mückenlarven bislang wenig bekannt. Mückenlarven filtrieren organische Partikel aus dem Wasser und beanspruchen demnach dieselben Nahrungsressourcen wie filtrierende Kleinkrebse, sodass Kleinkrebse ernstzunehmende Nahrungskonkurrenten für Mückenlarven sind. 2007 wurde im Rahmen komplexer Untersuchungen im Zusammenhang mit der Deichrückverlegung eine Studie zur Charakterisierung von Mückenbrutplätzen im Roßlauer Oberluch durchgeführt. Die Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt

Standard Versus Natural: Assessing the Impact of Environmental Variables on Organic Matter Decomposition in Streams Using Three Substrates

The decomposition of allochthonous organic matter, such as leaves, is a crucial ecosystem process in low-order streams. Microbial communities, including fungi and bacteria, colonize allochthonous organic material, break up large molecules, and increase the nutritional value for macroinvertebrates. Environmental variables are known to affect microbial as well as macroinvertebrate communities and alter their ability to decompose organic matter. Studying the relationship between environmental variables and decomposition has mainly been realized using leaves, with the drawbacks of differing substrate composition and consequently between-study variability. To overcome these drawbacks, artificial substrates have been developed, serving as standardizable surrogates. In the present study, we compared microbial and total decomposition of leaves with the standardized substrates of decotabs and, only for microbial decomposition, of cotton strips, across 70 stream sites in a Germany-wide study. Furthermore, we identified the most influential environmental variables for the decomposition of each substrate from a range of 26 variables, including pesticide toxicity, concentrations of nutrients, and trace elements, using stability selection. The microbial as well as total decomposition of the standardized substrates (i.e., cotton strips and decotabs) were weak or not associated with that of the natural substrate (i.e., leaves, r(2) < 0.01 to r(2) = 0.04). The decomposition of the two standardized substrates, however, showed a moderate association (r(2) = 0.21), which is probably driven by their similar composition, with both being made of cellulose. Different environmental variables were identified as the most influential for each of the substrates and the directions of these relationships contrasted between the substrates. Our results imply that these standardized substrates are unsuitable surrogates when investigating the decomposition of allochthonous organic matter in streams. Environ Toxicol Chem 2023;00:1-12. (c) 2023 The Authors. Environmental Toxicology and Chemistry published by Wiley Periodicals LLC on behalf of SETAC

Pflanzenschutz und Biodiversität in Agrarökosystemen

Der Wissenschaftliche Beirat des Nationalen Aktionsplan zur nachhaltigen Anwendung von Pflanzenschutzmitteln (NAP) berät das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL). Er hat zu den Wirkungen des Pflanzenschutzes auf die Biodiversität in Agrarökosystemen Stellung genommen. Die vorliegende Publikation beruht auf dieser Stellungnahme. Pflanzenschutz ist ein ertrags- und qualitätssichernder Faktor im Ackerbau und in noch größerem Maße in Sonderkulturen. Globale Meta-Analysen und Expertenauswertungen schätzen den potentiellen Ertragsausfall durch Schadorganismen je nach Nutzpflanze zwischen 17 und 40 % ein. Dieser wird mit direktem chemischen, biologischen oder physikalischen Pflanzenschutz und mit indirekten vorbeugenden, systembezogenen Maßnahmen verringert. Unter den vielen Wirkungen von Pflanzenschutzmitteln ist diejenige auf die Biodiversität eine schwer zu fassende. Die derzeitige intensive, betriebswirtschaftlich optimierte und international wettbewerbsfähige Landwirtschaft verändert multikausal die Landschafts- und Lebensräume, reduziert die Vielfalt der natürlichen Habitate und Agrarökosysteme, und wirkt sich damit negativ auf die Biodiversität vieler Artengruppen aus. Zudem beeinflusst auch der Klimawandel die Biodiversität in der Agrarlandschaft negativ. Der Rückgang der Biodiversität in der Agrarlandschaft ist markant. So haben Schmetterlings- und Vogelpopulationen seit 1990 bzw. 1980 um 50 % und die Biomasse der fliegenden Insekten seit 1989 um 75 % abgenommen. Arten- und Individuen-Anzahlen von Ackerwildkräutern, Amphibien, Fischen, empfindlichen Wirbellosen in Gewässern, Wildbienen, Schwebfliegen, Laufkäfern, Marienkäfern und vielen weiteren Organismengruppen nehmen ab. Von den 14 unmittelbar nutzungsabhängigen Offenland-Biotoptypen sind in Deutschland 80 % gefährdet. Weitere Lebensräume (Moore, Wald- und Ufersäume, Staudenfluren etc.) werden durch die landwirtschaftliche Nutzung in der Umgebung beeinträchtigt. Direkte und indirekte Wirkungen von Pflanzenschutzmitteln werden durch eine große Zahl von wissenschaftlichen Studien in Deutschland und im europäischen Umfeld dokumentiert. Die Anwendung von Pflanzenschutzmitteln (Insektizide, Fungizide, Herbizide) stellt in dem komplexen Gesamtsystem von Faktoren einen bedeutenden Einflussfaktor mit meistens signifikant negativen in Ausnahmefällen jedoch auch positiven Auswirkungen auf die Biodiversität in Agrarökosystemen dar. Pflanzenschutzmittel gelangen in und auf Pflanzen, Tiere und Böden, in die Atmosphäre sowie in Gewässer und Grundwasser; sie entfalten ihre schädlichen Nebenwirkungen in kurzen, aber auch sehr langen Zeiträumen. Sie können direkte toxische Wirkungen auf Nichtzielorganismen hervorrufen und indirekt Nahrung und Lebensräume einer Vielzahl von Organismen reduzieren. Hinzu kommen kumulative und sequenzielle Wirkungen, da Pflanzenschutzmittel häufig gemeinsam angewandt werden und eine kombinierte Wirkung von Umweltstressoren und Pflanzenschutzmitteln insbesondere bei Anwendung im Freiland relevant wird. Der Wissenschaftliche Beirat NAP schlägt daher folgende Maßnahmen für einen zukunftsfähigen Pflanzenschutz vor: 1. Die weitere Entwicklung der Biodiversität soll durch die Einführung eines repräsentativen, umfassenden und auf die Auswirkungen von Pflanzenschutzmitteln ausgerichtetes Langzeit-Biodiversitäts-Monitorings standardisiert beurteilt werden. 2. Das Zulassungsverfahren von Pflanzenschutzmitteln soll auf mögliche Lücken bei der Beurteilung von Wirkungen auf die Biodiversität auf der Basis des neusten Wissensstands überprüft werden, und diese Erkenntnisse sollen in die Novellierung des europäischen Zulassungsrechtes eingebracht werden. 3. Es sollen positive und negative Anreize für die landwirtschaftliche Praxis geschaffen werden, um die Anwendung von Pflanzenschutzmittel in der Praxis zu reduzieren. Dazu soll auch eine Abgabe auf Pflanzenschutzmitteln geprüft werden, und mittelfristig soll ein wissenschaftlich basiertes System der Internalisierung der Umweltkosten (True Cost Accounting) vorgeschlagen werden. 4. Integrierte Pflanzenschutzverfahren sollen durch Forschung und Beratung weiter gestärkt, in der Züchtung soll ein Schwerpunkt auf Schaderregertolerante oder -resistente Sorten gelegt wer¬den. 5. Die Rahmenbedingungen für den Ökologischen Landbau sollen weiter verbessert werden, um das Ziel der Bundesregierung, seinen Flächenanteil auf 20 % auszudehnen, möglichst schnell zu erreichen. 6. Im Rahmen der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) und der Agrarumweltmaßnahmen (ELER) sollen in deutlich größerem Umfang als bisher vielfältige Landschaftselemente, Habitate und in die Produktionsfläche integrierte ökologische Vorzugsflächen und Pufferzonen gefördert werden

Traits and stress: keys to identify community effects of low levels of toxicants in test systems

Community effects of low toxicant concentrations are obscured by a multitude of confounding factors. To resolve this issue for community test systems, we propose a trait-based approach to detect toxic effects. An experiment with outdoor stream mesocosms was established 2-years before contamination to allow the development of biotic interactions within the community. Following pulse contamination with the insecticide thiacloprid, communities were monitored for additional 2 years to observe long-term effects. Applying a priori ecotoxicological knowledge species were aggregated into trait-based groups that reflected stressor-specific vulnerability of populations to toxicant exposure. This reduces inter-replicate variation that is not related to toxicant effects and enables to better link exposure and effect. Species with low intrinsic sensitivity showed only transient effects at the highest thiacloprid concentration of 100 μg/l. Sensitive multivoltine species showed transient effects at 3.3 μg/l. Sensitive univoltine species were affected at 0.1 μg/l and did not recover during the year after contamination. Based on these results the new indicator SPEARmesocosm was calculated as the relative abundance of sensitive univoltine taxa. Long-term community effects of thiacloprid were detected at concentrations 1,000 times below those detected by the PRC (Principal Response Curve) approach. We also found that those species, characterised by the most vulnerable trait combination, that were stressed were affected more strongly by thiacloprid than non-stressed species. We conclude that the grouping of species according to toxicant-related traits enables identification and prediction of community response to low levels of toxicants and that additionally the environmental context determines species sensitivity to toxicants

Citizen science for assessing pesticide impacts in agricultural streams

The majority of central European streams are in poor ecological condition. Pesticide inputs from terrestrial habitats present a key threat to sensitive insects in streams. Both standardized stream monitoring data and societal support are needed to conserve and restore freshwater habitats. Citizen science (CS) offers potential to complement international freshwater monitoring while it is often viewed critically due to concerns about data accuracy. Here, we developed a CS program based on the Water Framework Directive that enables citizen scientists to provide data on stream hydromorphology, physicochemical status and benthic macroinvertebrates to apply the trait-based bio-indicator SPEARpesticides for pesticide exposure. We compared CS monitoring data with professional data across 28 central German stream sites and could show that both CS and professional monitoring identified a similar average proportion of pesticide-sensitive macroinvertebrate taxa per stream site (20 %). CS data were highly correlated to the professional data for both stream hydromorphology and SPEARpesticides (r = 0.72 and 0.76). To assess the extent to which CS macroinvertebrate data can indicate pesticide exposure, we tested the relationship of CS generated SPEARpesticides values and measured pesticide concentrations at 21 stream sites, and found a fair correlation similar to professional results. We conclude that given appropriate training and support, citizen scientists can generate valid data on the ecological status and pesticide contamination of streams. By complementing official monitoring, data from well-managed CS programs can advance freshwater science and enhance the implementation of freshwater conservation goals

Interspecific competition delays recovery of Daphnia spp. populations from pesticide stress

Xenobiotics alter the balance of competition between species and induce shifts in community composition. However, little is known about how these alterations affect the recovery of sensitive taxa. We exposed zooplankton communities to esfenvalerate (0.03, 0.3, and 3 μg/L) in outdoor microcosms and investigated the long-term effects on populations of Daphnia spp. To cover a broad and realistic range of environmental conditions, we established 96 microcosms with different treatments of shading and periodic harvesting. Populations of Daphnia spp. decreased in abundance for more than 8 weeks after contamination at 0.3 and 3 μg/L esfenvalerate. The period required for recovery at 0.3 and 3 μg/L was more than eight and three times longer, respectively, than the recovery period that was predicted on the basis of the life cycle of Daphnia spp. without considering the environmental context. We found that the recovery of sensitive Daphnia spp. populations depended on the initial pesticide survival and the related increase of less sensitive, competing taxa. We assert that this increase in the abundance of competing species, as well as sub-lethal effects of esfenvalerate, caused the unexpectedly prolonged effects of esfenvalerate on populations of Daphnia spp. We conclude that assessing biotic interactions is essential to understand and hence predict the effects and recovery from toxicant stress in communities

Deichrückverlegungen in Sachsen-Anhalt und wissenschaftliche Begleituntersuchungen am Beispiel des Roßlauer Oberluchs

Deichbau und andere flussbautechnische Maßnahmen haben dazu geführt, dass die Mittlere Elbe ihre ursprünglichen Überschwemmungsgebiete verloren hat. Um die Auswirkungen der alljährlich auftretenden Hochwasserereignisse einzudämmen, wurden große Bereiche der Talniederung durch Deiche vom Überflutungsgeschehen abgetrennt. Diese Eingriffe in den Naturhaushalt ermöglichten gleichfalls eine intensive ackerbauliche Nutzung oder eine hochwassersichere Bebauung der Auen. Die natürliche Auendynamik ist heute weitestgehend auf einen schmalen Bereich entlang der Elbe beschränkt. Hinter den Deichen sind die für die Elbeauen typischen Lebensräume von der lebenswichtigen Auendynamik abgeschnitten. Angepasste Auenarten und -lebensgemeinschaften treten zugunsten von Allerweltsarten zurück. Eine Wiederanbindung von Altauenbereichen an das Überflutungsgeschehen ist deshalb eine der vordringlichsten Maßnahmen zur Revitalisierung gefährdeter Auenlebensräume und stellt eine Chance dar, einen nachhaltigen und modernen Hochwasserschutz mit Naturschutzzielen zu verbinden. An der Elbe entspricht das aktuelle Hochwasserschutzsystem nicht den heutigen Anforderungen an den Hochwasserschutz. Um jedoch jederzeit auf mögliche große Hochwasserereignisse reagieren zu können, entstanden Anfang der 1990er Jahre in den Anliegerländern der Elbe zahlreiche Pläne für Deichrückverlegungen

Do drivers of biodiversity change differ in importance across marine and terrestrial systems — Or is it just different research communities' perspectives?

Cross-system studies on the response of different ecosystems to global change will support our understanding of ecological changes. Synoptic views on the planet's two main realms, the marine and terrestrial, however, are rare, owing to the development of rather disparate research communities.We combined questionnaires and a literature review to investigate howthe importance of anthropogenic drivers of biodiversity change differs amongmarine and terrestrial systems and whether differences perceived by marine vs. terrestrial researchers are reflected by the scientific literature. This included asking marine and terrestrial researchers to rate the relevance of different drivers of global change for either marine or terrestrial biodiversity. Land use and the associated loss of natural habitatswere rated as most important in the terrestrial realm,while the exploitation of the sea by fishing was rated as most important in the marine realm. The relevance of chemicals, climate change and the increasing atmospheric concentration of CO2 were rated differently for marine and terrestrial biodiversity respectively. Yet, our literature review provided less evidence for such differences leading to the conclusion that while the history of the use of land and sea differs, impacts of global change are likely to become increasingly similar