Das Projekt "Pestizideffekte an den Rändern? Auswirkungen von agrochemischer Verschmutzung flussabwärts auf Organismen in Refugien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Institut für Umweltwissenschaften durchgeführt. Basierend auf mehreren Studien in den letzten zwei Jahrzehnten ist weitestgehend gesichert, dass Pestizide Wirbellosen-Gemeinschaften in Bächen beeinflussen, was sich in einer Zunahme der relativen Häufigkeit von toleranten Taxa äußert. Unser Verständnis der Reaktion und der Langzeitfolgen toxischer Effekte ist jedoch noch unzureichend in Bezug auf die räumliche Dynamik und Anpassungsprozesse. Modellierungsstudien zeigten, dass sich genetische Anpassungen an Pestizide, die zu einer erhöhten Toleranz führen, auch Organismen in unbelasteten Standorten beeinflussen können. Empirische Studien über das Potenzial von Pestizideffekten flussabwärts sich auf Organismen in unbelasteten Bachabschnitten fortzupflanzen sind jedoch selten. In diesem Projekt untersuchen wir für verschiedene Wirbellose, ob sich Pestizideffekte auf Organismen in Refugien ausbreiten können. Das Projekt profitiert von einem landesweiten Monitoringprogramm zu Pestiziden (Umsetzung des nationalen Monitorings kleiner Gewässer für Pestizide), das qualitativ hochwertige Pestiziddaten, hochauflösende physikochemische Daten sowie Gemeinschaftsdaten zu Wirbellosen und Kieselalgen ohne zusätzliche Kosten liefert. Wir werden drei wirbellose Arten, darunter einen Gammarid, eine Köcherfliege und eine Eintagsfliege, in landwirtschaftlichen Stellen mit hoher Pestizidtoxizität und in zwei Abständen innerhalb von Refugien (Rand von Refugien und weiter stromaufwärts) untersuchen. Mit Hilfe von Schnelltests werden wir die Toleranz der Wirbellosen bestimmen, um mögliche Anpassungen beurteilen zu können. Darüber hinaus werden wir die genetische Vielfalt und Energiereserven in Gammariden messen. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Anpassung die genetische Vielfalt reduziert und dass diese Reduktion sich auf unbelastete Standorte am Rand des Refugiums ausbreitet. Darüber hinaus gehen wir nach dem Konzept der Ressourcenallokation davon aus, dass eine höhere Toleranz mit einer höheren Allokation von Energie in Abwehrmechanismen verbunden ist, was zu geringeren Energiereserven im Vergleich zu weniger toleranten Organismen führt. Insgesamt wird dieses Forschungsprojekt wesentlich zum Verständnis der Mechanismen beitragen, die der höheren Toleranz in belasteten Standorten, wie in einer früheren Studie beobachtet (Shahid et al. 2018), zugrunde liegen. Außerdem wird es unsere Abschätzung der Kosten der Verschmutzung für Organismen und Populationen in unbelasteten Standorten voranbringen.
Das Projekt "Langzeitwirkungen invasiver Arten in neuen Lebensgemeinschaften: vergleichende Analysen von Populationsdynamiken sowie phänotypischen und genetischen Änderungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Freie Universität Berlin, Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie, Institut für Biologie durchgeführt. Die Invasionsbiologie hat einige Schlüsselfragen zu biologischen Invasionen bearbeitet oder sogar gelöst, aber das zentrale Thema der Langzeiteffekte invasiver Arten ist weitgehend unerforscht geblieben. Zwar gibt es Einzelstudien zu langfristigen Populationsdynamiken invasiver Arten und ihrer Auswirkungen, aber eine Synthese dieser Studien fehlt bisher. Dies ist eine entscheidende Wissenslücke, weil langfristige Änderungen in der Abundanz invasiver Arten und in ihren Eigenschaften wahrscheinlich sind und wichtige ökologische und ökonomische Auswirkungen haben können. Das vorliegende Projekt soll die bestehende Wissenslücke verkleinern. Genauer schlage ich vor, folgende Themen zu untersuchen: (1) zeitliche Verzögerungen bei invasiven Arten, (2) Boom-Bust- und andere Populationsdynamiken invasiver Arten, (3) phänotypische und genetische Veränderungen invasiver Arten, (4) Populationsdynamiken heimischer Arten, die durch invasive Arten beeinflusst werden und (5) phänotypische und genetische Veränderungen heimischer Arten, die durch invasive Arten beeinflusst werden. Für die Untersuchungen soll eine Datenbank erstellt werden, die Langzeit-Datensätze (über einen Zeitraum von mind. 10 Jahren) vieler Kooperationspartner in Europa und Nordamerika zusammenfasst. Die Datensätze werden von 90 invasiven Arten stammen: 30 Wirbeltiere, 30 Wirbellose und 30 Pflanzen/Algen; jeweils 30 Arten aus dem Süßwasser, marinen und terrestrischen Habitaten. Für 18 Arten werden Datensätze für jeweils mind. 10 verschiedene Standorte verfügbar sein. Und für 60 Arten werden Daten zu ihren Auswirkungen auf heimische Arten verfügbar sein. Die Datenbank wird Untersuchungen auf verschiedenen Ebenen ermöglichen, von großen Habitaten und Taxa zu einzelnen Arten, Populationen und Standorten. Verschiedene Fragestellungen werden untersucht werden, z.B.: (1) Korrelieren Unterschiede in zeitlichen Verzögerungen invasiver Arten mit den Eigenschaften dieser Arten (z.B. Life History), besiedelter Lebensräume (z.B. Artenreichtum) oder Interaktionen zwischen den invasiven Arten und Lebensräumen (z.B. Klimaunterschiede zwischen heimischen und besiedelten Lebensräumen)? (2) Welche invasiven Arten mit welchen Eigenschaften zeigen Boom-Bust-Dynamiken, und in welchen Lebensräumen? Diese und andere Fragestellungen, die sich auf die fünf o.g. Themen beziehen, sollen untersucht werden. Einige Studien zu diesen Fragen werden von meiner Arbeitsgruppe geleitet werden, während andere Studien von Kooperationspartnern geleitet werden. Um einen Austausch innerhalb des Kooperationsteams zu gewährleisten, schlage ich über die Projektlaufzeit drei Workshops sowie individuelle Treffen mit Partnern vor. Außerdem soll eine Internetseite eingerichtet werden, die als Plattform für das Kooperationsteam und die Datenbank dienen wird. Die Internetseite soll auch als Ausgangspunkt für zukünftige Projekte verwendet werden können, z.B. zur Untersuchung anderer Langzeitänderungen in neuartigen Lebensgemeinschaften.
Das Projekt "Genetische und ökologische Charakterisierung der invasiven Süßwasserqualle Craspedacusta sowerbii" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität München, Department Biologie II Aquatische Ökologie durchgeführt. Eine Folge der immer stärkeren Verknüpfung und höheren Mobilität menschlicher Populationen ist eine immer schnellere Verbreitung von nicht heimischen Arten in neue Ökosysteme. Im Falle der nicht heimischen Quallenart Craspedacusta sowerbii wurde dadurch eine neue funktionelle Gilde im Süßwasser etabliert, da Quallen seit Millionen von Jahren nicht in heimischen Süßgewässern vorkamen. Craspedacusta sowerbii stammt ursprünglich aus Asien (China) und ist seit ca. 100 Jahren in Deutschland bekannt. Zurzeit sind mehr als 100 Fundorte der Qualle bekannt, laut bestehender Lehrmeinung sind alle Quallen derselben Population unisexuell und genetisch identisch, nur ein oder sehr wenige Klone hätten sich verbreitet. Craspedacusta sowerbii ist metagenetisch und hat neben der pelagischen sich sexuell fortpflanzenden Medusengeneration auch eine benthisch lebende Polypengeneration, die sich ungeschlechtlich fortpflanzen kann. Der unscheinbare (1-2 mm) und selten beschriebene Polyp kann daher schon deutlich weiter verbreitet sein, als es die Berichte über Massenentwicklungen der freischwimmenden Quallengeneration (1-2 cm) schließen lassen. Polypen können ab einer bestimmten Wassertemperatur Medusen bilden und ins Freiwasser entlassen. Prognostizierte wärmere Wassertemperaturen könnten dann schnell zu einer starken Ausbreitung der Medusengeneration führen. Bereits beobachtete Abundanzen der Medusen von mehr als 1000 Individuen/m-2 lassen trophische Effekte im Plankton erwarten, weitere genauere Analysen sind aber notwendig. In Laborversuchen sollen daher die Nahrungsselektivität sowie Ingestions- und Assimilationseffizienzen der Qualle analysiert werden, um ihre trophische Nische und die Konkurrenzfähigkeit im Plankton zu charakterisieren. Freilanduntersuchungen in abgeschlossenen Mesokosmen entlang experimenteller Medusenabundanz - Gradienten sollen die trophische Position, mögliche trophische Kaskaden bis hin zum Phytoplankton und pelagisch-benthische Stoffflüsse im Detail analysieren. Vergleichende Analysen von Seen mit und ohne Medusen sollen zusätzlich zeigen, ob beobachtete experimentelle Muster auch im Freiland zu sehen sind. Die Freilanduntersuchungen erlauben eine Analyse der Assoziation zwischen Geschlecht, Genotyp und gemessenen Umweltfaktoren und damit gleichzeitig Fragen über die evolutionäre Dynamik und die langfristige Entwicklung der Qualle in heimischen Gewässern zu beantworten. Die genetische Diversität und Populationsstruktur wird mit hochauflösenden Mikrosatelliten sowie ITS und COI Markern bestimmt. Genetische Analysen werden klären, ob unterschiedliche Genotypen im Polypen- und Medusenstadium vorkommen, ob nur ein Klon dominant ist oder ob eine mehrfache Einschleppung der Qualle in heimische Gewässer wahrscheinlich ist. Die gemeinsame Analyse der genetischen Diversität und der ökologischen Funktion der Qualle wird es erlauben, die Dynamik aquatischer Nahrungsnetze, die von neuen Arten besiedelt werden, besser mechanistisch zu verstehen.
Das Projekt "Integration von hochauflösendem Monitoring und merkmalbasierte Modellierung zum Verständnis und zur Prognose von Phytoplankton-Dynamiken (AQUASCOPE)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Jacobs University Bremen gGmbH, Focus Area Health - Physics & Earth Sciences durchgeführt. Die Dynamik von Planktongemeinschaften wird durch Einflussfaktoren, die von unten nach oben (Wasserphysik und Chemie) und von oben nach unten (natürliche Feine) wirken, kontrolliert. Die relative Bedeutung und Richtung dieser Effekte auf die Zusammensetzung der Taxa sowie die relative Abundanz sind in natürlichen Gemeinschaften jedoch nicht hinreichend belegt: Sie variieren in Zeit und Raum und hängen auch von physiologischen und ökologischen Wechselwirkungen ab, die durch verschiedene Merkmale beeinflusst werden. Ziel dieses Projektes ist es, die Auswirkungen interagierender Kontrollen (z.B. Temperatur, Verwirbelung, Nährstoffversorgung, Identität von Weidegängern, Dichte und Beuteauswahl) auf Phytoplankton in Seen innerhalb taxonomischer und größenbasierter Kategorien zu quantifizieren, um merkmalbasierte theoretische und datenbasierte Modelle (neu) zu entwickeln, die eine genaue Prognose zu Veränderungen in Plankton-Nahrungsnetzen und somit von Ökosystemprozessen und -dienstleistungen über Umweltgradienten in Raum und Zeit ermöglichen. Dieses Projekt beinhaltet drei miteinander verbundene Arbeitspakete: 1) Anwendung neuer Methoden für In-situ-Monitoring, 2) Datenanalyse (Erforschung von Mustern, Hypothesenüberprüfung und Analyse von Einflussfaktoren), und 3) merkmalbasierte Modellierung (Entwicklung und Überprüfung von Theorien, Prognosen über Raum und Zeit). Dieses Projekt wird Unterwasseraufnahmen als neues Werkzeug für Forschung und routinemäßiges Monitoring evaluieren. Durch die gewonnenen Daten werden wir mittels merkmalbasierter Rahmenbedingungen in der Lage sein, Konzepte und Theorien in der Gemeinschaftsökologie zu präzisieren, insbesondere darüber, wie Chemie und Physik sowie die Wechselbeziehungen zwischen den Arten die Dynamik von Phytoplanktongemeinschaften über Zeit und Raum beeinflussen können. Das quantitative Verständnis von Einflussfaktoren und Mechanismen, die in der Gemeinschaft die Struktur und Abundanz steuern, wird uns Prognosen über Veränderungen in der Biodiversität von Plankton über Umweltgradienten und Algenblüten ermöglichen.
Das Projekt "Ermittlung rezenter anthropogener Einflüsse auf Seen mittels Metabarcoding" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Senckenberg Biodiversität und Klima, Forschungszentrum durchgeführt. Biodiversität ist ein wichtiger Faktor für die Belastbarkeit von Ökosystemen und ist eng mit deren Funktionieren verknüpft. Zudem ist Biodiversität ein sensibler Indikator für den Gesundheitszustand von Ökosystemen, der zunehmend durch anthropogene Faktoren gestört wird. Die Langzeitauswirkungen von Umwelteinflüssen auf natürliche Gemeinschaften wurden bisher selten experimentell untersucht, da Forschungsprojekte meist für einen vergleichsweise kurzen Zeitraum von wenigen Jahren bewilligt werden. Paläoökologische Daten beziehen sich meist auf Überreste weniger erhaltener Organismen und können nicht zur Rekonstruktion ganzer Gemeinschaften herangezogen werden. Im Angesicht globaler Veränderungen besteht die dringende Notwendigkeit zu verstehen, wie die Zusammensetzung und Diversität von See-Ökosystemen auf Veränderungen reagieren und wie diese Reaktionen das Funktionieren eines See-Systems beeinflussen. Ich werde daher die Zusammensetzung, Diversität und Schlüsselfunktionen historischer Eukaryoten-Gemeinschaften in Seen in einem erweiterten Zeitfenster betrachten und ihre im Sediment erhaltene DNS durch Metabarcoding untersuchen. Wir werden Untersuchungen von DNS-Sequenzen von Zooplankton, Phytoplankton, benthischen Vertebraten und Ansammlungen aquatischer Makrophyten durchführen. Unsere zentralen Fragen sind a. Wie verändern sich die Zusammensetzung und Diversität von See-Gemeinschaften über einen längeren Zeitraum regional und wie sind die Erholungsraten dieser Gemeinschaften nach der Einflussnahme schwerer Störungen? b. Sind störungsbezogene Veränderungen bei der intraspezifischen genetischen Diversität größer als bei der interspezifischen genetischen Diversität? c. Wie belastbar sind See-Gemeinschaften, unter dem Gesichtspunkt bisher nicht verfügbarer Langzeitstudien über die Funktion von Ökosystemen (Prävalenz von Algatoxingenen, Änderungen der trophischen Interaktionen)? Wir werden Seesedimentkernproben aus den Masurischen und Mecklenburgischen Seenplatten entnehmen und sie innerhalb eines ca. 100-jährigen Zeitraum untersuchen. Wir werden dabei die Methode des Matabarcoding anwenden um den weiten zeitlichen paläoökologischen Rahmen mit der einheitlichen Datenerhebung, der taxonomischen Auflösung und der reproduzierbar Gestaltung von Langzeitstudien zu kombinieren. Wir werden die Daten in ihrem ökologischen Rahmen von klar umrissenen Gemeinschaften und Ökosystemen analysieren. Unsere Arbeit wird mit dem Potenzial der next-generation DNS Sequenzierung neue Wege und Möglichkeiten aufzeigen, Biodiversität und Ökosystemfunktionen in bisher unbekannten zeitlichen und räumlichen Ausmaß zu untersuchen.
Das Projekt "Teilprojekt: Veränderungen der Eigenschaften von Phytoplanktongemeinschaften auf saisonalen und langfristigen Zeitskalen im Zusammenhang mit Trophieänderungen und einem Regime-Wechsel in der Phytoplanktonbiomasse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Konstanz, Limnologisches Institut durchgeführt. Das Projekt kombiniert Datenanalyse und datenbasierte Modellierung und untersucht die Auswirkungen von saisonalen und langfristigen Veränderungen der Eigenschaften von Phytoplanktongemeinschaften auf die Produktivität von Phytoplankton und die Entwicklung der wichtigsten Herbivoren. Auf der Grundlage eines 40 Jahre umspannenden Datensatzes vom Bodensee analysieren wir die saisonale Dynamik der Eigenschaften der Phytoplanktongemeinschaft und wie sich eine Veränderung der Trophie auf diese Eigenschaften auswirkt. Mit Hilfe von statistischen Modellen wird untersucht, wie Umweltbedingungen mit den Eigenschaften von Phytoplanktongemeinschaft und von funktionellen Phytoplanktongruppen zusammenhängen und die statistischen Verteilungen dieser Eigenschaften beeinflussen. Besonderer Schwerpunkt wird auf die Veränderungen der Eigenschaften der Phytoplanktongemeinschaft im Zusammenhang mit der abrupten Änderung in der Phytoplanktonbiomasse gelegt, die im Zuge der Trophieänderung im Bodensee auftrat (Jochimsen et al. 2013). Außerdem werden die Momente der statistischen Verteilungen der Eigenschaften vor, während und nach der abrupten Veränderung der Biomasse bestimmt. Die statistische Analyse wird durch numerische Modellierung ergänzt. Modelle, in denen funktionelle Gruppen zeitkonstante Eigenschaften haben, werden mit Modellen verglichen, in denen funktionelle Gruppen aggregiert sind, aber zeitabhängige Eigenschaften haben. Mit diesem Vergleich testen wir, inwieweit funktionelle Gruppen aggregiert werden können, um die saisonale Dynamik des Phytoplanktons unter unterschiedlichen Trophiebedingungen noch adequat beschreiben zu können. Außerdem werden die Modellergebnisse zeigen, inwieweit eine mechanistische Verknüpfung zwischen den Eigenschaften der Phytoplanktongemeinschaft und den Umweltbedingungen tatsächlich zu den beobachteten Phytoplanktonbiomassen führt. Da die Modelle vertikal aufgelöst sind, liefern sie außerdem Informationen über die Vertikalverteilung der Eigenschaften der Phytoplanktongemeinschaft. Bei der Modellierung profitieren wir von dem ausgezeichneten Datensatz des Bodensees, mit dessen Hilfe die meisten Antriebsgrößen direkt von den Daten genommen und so die Zahl der Zustandsgrößen reduziert werden können. Mit Hilfe von numerischen Experimenten untersuchen wir, wie die Phytoplanktoneigenschaften unter verschiedenen trophischen Zuständen des Sees das Phytoplankton- und Herbivorenwachstum beeinflussen, und ob kompensatorische Dynamik im Zuge der Trophieänderung im Bodensee durch Veränderungen der Phytoplanktoneigenschaften erklärt werden kann.
Das Projekt "Teilprojekt: Ökoevolutive Rückkopplungen phänotypischer Plastizität und mono- versus polyklonaler Gemeinschaften in bi- und tri-trophischen Systemen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bochum, Fakultät für Biologie und Biotechnologie, Lehrstuhl für Evolutionsökologie und Biodiversität der Tiere durchgeführt. Unser Projekt fokussiert sich auf die Effekte individueller Merkmalsvariation (phänotypischer Plastizität) und genetischer Merkmalsvariation (polyklonale Systeme) auf Populations-, Gemeinschafts- und Merkmalsdynamiken, in bi- und tritrophischen System, mit Algen, herbivore Ciliaten und ihren Räubern (karnivore Ciliaten). In unserem System wirkt phänotypische Plastizität auf zwei Ebenen. Die herbivoren Ciliaten (Euplotes aediculatus und E. octocarinatus) können phänotypisch plastische Verteidigungen gegen ihre Räuber ausbilden, die aber einen Trade-off zwischen Verteidigung und Konkurrenzstärke bedingen. Wir werden dabei verschiedene Euplotes-Stämme, die sich in ihren Reaktionsnormen der Plastizität, ihrer Wachstumsrate und ihrer Konkurrenzstärke unterscheiden, in mono- und polyklonalen Experimenten, untersuchen. Dementsprechend betrachten wir Merkmalsdynamiken auf der Ebene der Plastizität und auch über die selektionsbedingte Verschiebung der klonalen Zusammensetzungen. Darüber hinaus verwenden wir Prädatoren, die entweder ihrerseits mit phänotypisch plastischen Merkmalen induzierbare Verteidigungen der Beute, zumindest teilweise, ausgleichen können (Lembadion bullinum), oder Räuber, die nicht plastisch reagieren (Stenostomum sphagnetorum). Mit unserem System testen wir folgende Hypothesen:1. Variationen von Merkmalen in Form klonspezifischer Reaktionsnormen (phänotypische Plastizität) auf der Konsumenten- fördert die Stabilität und Beständigkeit der trophischen Ebenen in einem tri-trophischen System.2. Polyklonale Konsumentensysteme mit klonspezifischen Reaktionsnormen der Merkmale erhöhen die Stabilität im Vergleich zu monoklonalen Systemen. 3. Merkmalsvariation auf der Konsumentenebene kann die trophischen Dynamiken in einem tritrophischen System, in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Anpassung, stärker stabilisieren als Merkmalsvariation auf zwei trophischen Ebenen (Räuber und Beute).Unser Projekt kombiniert empirische Experimente mit mathematischer Modellierung. Es ist eng mit anderen Projekten im SPP vernetzt, hat aber das Alleinstellungsmerkmal, dass wir das einzige tritrophische System mit Plastizität auf der Prädatorenebene betrachten. Unser Projekt wird, durch die Kombination experimenteller Ansätze und mathematischer Modellierung, zu einem tieferen Verständnis ökologischer Prozesse im generellen, sowie von Räuber-Beute- und Nahrungsnetz-Dynamiken führen.
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