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Forschungsinitiative Indirekte Effekte anthropogener Stressoren in Ökosystemen

Forschungsinitiative Indirekte Effekte anthropogener Stressoren in Ökosystemen
Zeitraum: 14.11.2008 - 09.05.2021
Status: laufend

Das Zeitalter des ‚Anthropozäns' ist durch einen umfassenden Einfluss des Menschen auf seine Umwelt geprägt. In diesem Zusammenhang prominent diskutierte Themen sind zum Beispiel Klima- und Landnutzungswandel, Umweltverschmutzung und Eutrophierung sowie der dramatische Verlust der Artenvielfalt. Die Erforschung und Bewertung des anthropogenen Einflusses auf Ökosysteme stellt eine vordringliche gesamtgesellschaftliche Aufgabe dar. Die Forschungsinitiative bearbeitet in diesem Kontext zum einen die Auswirkungen von Temperaturveränderungen und Eutrophierung, welche anthropogene Stressoren herausragender Bedeutung darstellen. Zum anderen wird das Schadpotential von Mikroplastikpartikeln in aquatischen Ökosystemen untersucht, welche ein ökotoxikologisches Risiko darstellen. Ziel der betreffenden Projekte ist die Erarbeitungen von Vorschlägen zum Risikomanagement von Mikroplastik.

 

Das Zeitalter des ‚Anthropozäns' (Nature 415: 23) ist durch einen umfassenden Einfluss des Menschen auf seine Umwelt im globalen Maßstab geprägt - einem globalen Wandel. In diesem Zusammenhang prominent diskutierte Themen umfassen zum Beispiel Klima- und Landnutzungswandel, Umweltverschmutzung und Eutrophierung sowie den dramatischen Verlust der Artenvielfalt. Die Auswirkungen dieser Veränderungen sind nicht nur relevant, weil sie das Überleben vieler rezenter Arten in Frage stellen, sondern auch, weil negative Rückkopplungen auf die Menschheit selbst zu befürchten sind (Nature 486: 59; Nature 510: 139). Als Beispiele mögen der Rückgang von Bestäubern, die zunehmende Frequenz extremer Wetterereignisse oder der Anstieg gesundheitsgefährdender Stoffe im Grundwasser dienen. Die Erforschung und Bewertung des anthropogenen Einflusses auf Ökosysteme stellt daher eine vordringliche gesamtgesellschaftliche Aufgabe dar.

Indirekte Effekte sind charakteristisch für komplexe ökologische Systeme und liegen vor, wenn die Kausalbeziehung zwischen X und Y durch einen Mediator Z beeinflusst wird (Abb.1). Dem Mediator Z kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, da er gleichzeitig eine abhängige (im Verhältnis zu X) und eine unabhängige Variable (im Verhältnis zu Y) ist. Zum Beispiel kann Temperatur (= X) direkte Auswirkungen auf Insekten (= Y) haben. Gleichzeitig beeinflusst die Temperatur jedoch auch die larvalen Futterpflanzen (= Z) von Insekten, was sich wiederum auf die Insekten auswirkt (ein indirekter Effekt der Temperaturänderung). Auf der ökosystemaren Ebene bedeutet dies, dass ein Stressor eine bestimmte Struktur oder einen bestimmten Prozess beeinflusst, wobei dieser Einfluss zumindest teilweise durch eine andere Eigenschaft des Systems übertragen wird. Solche indirekten Effekte erschweren jegliche Prognose der Reaktion eines Systems auf Umweltveränderungen (Ecology Letters 18: 834). Indirekte Effekte wurden zum Beispiel in Nahrungsnetzen beschrieben und entstehen, wenn die direkte Interaktion zweier Tierarten durch die Anwesenheit oder die Dichte einer anderen Art beeinflusst wird (Ecology 84: 1083). Die damit verbundene Änderung der Konkurrenzsituation kann große Auswirkungen auf die Artenzusammensetzung haben. Auch anthropogene Stressoren wie Landnutzungs-änderungen oder der Eintrag von Schadstoffen in aquatische oder terrestrische Ökosysteme induzieren direkte und indirekte Effekte, und können durch Veränderung wichtiger Prozesse oder die Interaktion verschiedener Stressoren unerwartete und schwer erklärbare Auswirkungen hervorrufen.

 Vor dem oben skizzierten Hintergrund stellt dieser Profilbereich die Untersuchung indirekter Effekte anthropogener Stressoren in den Mittelpunkt. Dadurch wird eine bedeutende, aber bislang weitgehend vernachlässigte Forschungsfrage bearbeitet. Die Fähigkeit, indirekte Effekte in komplexen ökologischen Systemen zu verstehen und zu quantifizieren, beeinflusst entscheidend unser Vermögen, die Reaktion dieser Systeme zu prognostizieren und ist damit Grundlage jeder Form von Umwelt- bzw. Risikomanagement. Durch die Erforschung indirekter Effekte soll die Grundlage für ein prozessorientiertes Management von Ökosystemen im Sinne eines Erhalts von Ökosystemdienstleistungen und Biodiversität gelegt werden.

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Abbildung 1:

Aufgrund der Vielzahl anthropogener Stressoren ist jedoch eine Fokussierung erforderlich. Wir werden hier die indirekten Effekte von Temperaturveränderungen (Klimawandel), Eutrophierung und Mikroplastikeintrag untersuchen, da diese drei Stressoren eine herausragende Bedeutung für verschiedenste Ökosysteme im globalen Maßstab haben. Der Klimawandel gilt als eine der größten Herausforderungen der Menschheit mit vermutlich substantiellen Folgen für Mensch und Natur (Science 341: 435). Eutrophierung ist ebenfalls ein Problem globalen Ausmaßes, da Düngung und atmosphärische Depositionen einen der Hauptgründe für den Rückgang der Artenvielfalt darstellen und die Stabilität von Ökosystemen gefährden (Nature 508: 521). Die Verschmutzung mit Mikroplastik könnte in Zukunft die Funktionsfähigkeit aquatischer Ökosysteme auf globaler Ebene beeinträchtigen (PNAS 113: 2331). Ein vertieftes Verständnis zur Wirkung dieser Stressoren ist daher von herausragender Bedeutung, um die Reaktionen verschiedener Ökosysteme auf Umweltveränderungen zu verstehen und vorhersagen zu können.

Die Breite des Forschungsthemas bedingt eine interdisziplinäre Herangehensweise. Das Konsortium besteht entsprechend aus 10 Arbeitsgruppen der Abteilungen Biologie, Chemie und Physik des Institutes für Integrierte Naturwissenschaften sowie des Mathematischen Institutes und der Bundesanstalt für Gewässerkunde als externe, international ausgewiesene Ressortforschungseinrichtung. Die beteiligten Gruppen vereinen somit Expertise aus den Bereichen Mikrobiologie, Zoologie, Botanik, Ökologie, organische Chemie, Oberflächen- und Materialphysik sowie Mathematik. Ausschlaggebend für die Zusammensetzung des Konsortiums war neben der fachlichen Passfähigkeit die DFG-Erfahrung der Mitglieder. Es wurde jedoch auch darauf geachtet, den wissenschaftlichen Nachwuchs am Fachbereich einzubinden, um diesem in einem DFG-erfahrenen Umfeld die Möglichkeit zu geben, sich in Richtung einer DFG-Antragsfähigkeit zu entwickeln. Wesentliche Stärken unseres Konsortiums sind (1) die ausgewiesene Expertise mit der einschlägigen Thematik, (2) die Fokussierung auf global relevante Stressoren, (3) die Untersuchung aquatischer wie auch terrestrischer Ökosysteme, (4) die Verwendung unterschiedlicher methodischer Zugänge inklusive kontrollierter Experimente, Untersuchung komplexer Lebensgemeinschaften im Freiland bis hin zur Modellierung und (5) die Integration von Arbeitsgruppen aus verschiedenen Disziplinen.

Mit der Fokussierung auf Temperaturveränderungen und Eutrophierung werden in diesem Cluster anthropogene Stressoren herausragender Bedeutung thematisiert. Während Eutrophierung bereits heute eine sehr hohe Bedeutung für den Verlust der Artenvielfalt hat, könnte der Klimawandel in Zukunft ebenfalls zu einem bedeutenden Gefährdungsfaktor werden (Nature 546: 73). Dieser Cluster untersucht indirekte Effekte der o.g. Stressoren auf ausgewählte Insekten der Agrarlandschaft durch kontrollierte Experimente (A1), auf aquatische Lebensgemeinschaften ebenfalls durch Experimente (A2), auf Pflanzengesellschaften von Mooren im Freiland (A3) sowie mit Hilfe von Modellierung (A4). Die Vorhersage von Systemantworten erfordert die Entwicklung neuer mathematischer Modelle, die die adäquate Berücksichtigung von direkten und indirekten Effekten anthropogener Stressoren ermöglichen. Da für die hier untersuchten Systeme die Datenlage noch nicht für eine Modellentwicklung ausreicht, soll diese an einem bereits besser beschriebenen System, der Ausbreitung von Infektionskrankheiten durch Vektoren, erfolgen. Die in A4 entwickelten Modelle werden jedoch zu einem späteren Zeitpunkt auf die im Rahmen dieses Profilbereichs erhobenen Datensätze angewandt. Dieser Cluster umfasst somit, bei Fokussierung auf gleiche Stressoren, terrestrische, semi-aquatische und aquatische Ökosysteme, welche derzeit vielfältigen anthropogenen Veränderungen unterliegen und eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Dabei werden unterschiedliche Ebenen (Arten, Gemeinschaften) und Methoden berücksichtigt.

 

Projekt A 1: Indirekte Effekte von Temperaturänderungen und Nährstoffeinträgen auf herbivore Insekten


Insekten stellen die mit Abstand artenreichste Gruppe aller Lebewesen dar, gehen jedoch derzeit insbesondere in Agrar-Ökosystemen drastisch zurück. Bei herbivoren Insekten sind nicht nur die direkten Auswirkungen von Umweltveränderungen relevant sondern auch indirekte Effekte, die über die Qualität der larvalen Futterpflanzen vermittelt werden. Es sollen die indirekten Auswirkungen von veränderten Temperaturbedingungen (Klimawandel) sowie Landnutzungspraktiken (Düngung) auf ausgewählte herbivore Insektenarten untersucht werden.

Projekt A 2: Indirekte Effekte von Temperaturänderungen und Nährstoffeinträgen auf Konsumenten in Seeökosystemen


In Seen beeinflussen klimawandelbedingte Änderungen der Wassertemperatur oder übermäßiger Eintrag von Nährstoffen (Eutrophierung) die herbivoren Konsumenten (Zooplankton) nicht nur direkt, sondern auch indirekt durch Veränderungen in deren Nahrungszusammensetzung (d.h. Änderungen der Phytoplankton-Artengemeinschaft). Diese indirekten Effekte von Gewässereutrophierung und Temperatur auf bestimmte Zooplanktonarten sollen in kontrollierten Experimenten untersucht werden.

Projekt A 3: Indirekte Effekte von Temperaturänderungen und atmosphärischen Nährstoffeinträgen auf die Phytodiversität in Hangmooren


Temperaturerhöhung und Veränderungen von atmosphärischen Nährstoffeinträgen sind wichtige anthropogene Stressoren, die durch die Förderung von konkurrenzstarken, eutraphenten Arten zu einer Verdrängung empfindlicher Arten und damit indirekt zu einer Veränderung in der Artenzusammensetzung führen. Diese indirekten Effekte sollen am Beispiel der besonders wertvollen und empfindlichen Pflanzengesellschaften der Hangmoore im Nationalpark Hunsrück-Hochwald untersucht werden, da zahlreiche Moose, Flechten und Algen hochsensibel auf Umwelteinflüsse reagieren.

Projekt A 4: Modellierung indirekter Effekte auf die Ausbreitung von Infektionskrankheiten


Anthropogene Umweltveränderungen wie z.B. der Klimawandel beeinflussen indirekt die Übertragungsdynamik von global bedeutenden Infektionskrankheiten, vermittelt durch Veränderungen in der Verbreitung der Vektoren. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von neuen mathematischen Modellen, die die adäquate Berücksichtigung von direkten und indirekten anthropogenen Effekten in epidemiologische Gleichungen ermöglichen. Als Modellsystem wird Dengue-Fieber verwandt, welches sich in den letzten Jahren zu einer globalen Herausforderung für die Gesundheitsfürsorge entwickelt hat. Die Krankheit ist heute in mehr als 100 Staaten verbreitet, die Gefahr eines Ausbruchs besteht auch in Europa.

Das Schadpotential von Mikroplastikpartikeln in aquatischen Ökosystemen ist auf dem aktuellen Kenntnisstand nicht prognostizierbar. In Fließgewässern kommen jedoch erhebliche Mengen Mikroplastikpartikel vor (Environm. Poll. 188: 177), die prinzipiell von Wasserorganismen aufgenommen werden können (Environm. Poll. 199: 10). Die Aufnahme dieser Partikel kann ein direktes ökotoxikologisches Risiko darstellen, da hydrophile Schadstoffe an diese Partikel binden können (Sci. Tot. Envir. 470: 1545) und dadurch in die Nahrungskette gelangen. Es ist momentan nicht bekannt, ob Mikroplastikpartikel indirekte Effekte in aquatischen Ökosystemen bewirken, zum Beispiel, indem sie die Nahrungsqualität von Biofilmen oder Phytoplankton reduzieren oder ob sie durch die Einlagerung in Biofilme deren Stabilität beeinflussen können. Auch Abhängigkeiten der Effekte von der Plastikart oder der Partikelform sind bisher größtenteils unbekannt. Dies ist wahrscheinlich auf methodische Schwierigkeiten zurückzuführen, da bisher keine standardisierten Methoden zur Messung von Biofilmstabilität oder für die Quantifizierung verschiedener Mikroplastikarten in biologischen Proben (Tiere, Biofilme, Phytoplankton) existieren. Da das von Mikroplastik in Binnengewässern ausgehende umwelttoxikologische, ökologische und ökonomische Risikopotenzial weitgehend unbekannt ist, ergeben sich die von dieser Teilgruppe bearbeiteten spezifischen Fragestellungen. Sie beinhalten die Analyse von indirekten Effekten von Mikroplastik auf Schlüsselfunktionen von Biofilmen, die durch Änderung der Biofilmstabilität (B1) oder der Nahrungsqualität (B2) vermittelt werden, die Untersuchung des Einflusses physikalischer Eigenschaften auf die ökologische Wirksamkeit (B3) und die Analyse des ökotoxikologischen Potentials in Abhängigkeit von Alterungsprozessen (B4). Die gemeinsame Zielrichtung aller Projekte ist die Erarbeitungen von Vorschlägen zum Risikomanagement von Mikroplastik in Binnengewässern.

Projekt B1: Indirekte Effekte von Mikroplastik auf Struktur und Funktion aquatischer Biofilme


In aquatischen Systemen siedeln Mikroorganismen bevorzugt auf Oberflächen und bilden dort, häufig unter Ausscheidung polymerer Substanzen, Biofilme. Im Fließgewässer stellen Mikroplastikpartikel zusätzliche, extern eingetragene xenobiotische Aufwuchsflächen dar, ebenso werden sie selbst in die Biofilmmatrix inkorporiert. Somit wirken sie auf die ökophysiologischen Leistungen der Biofilme ein. Daher soll (1) die Modulation der Oberflächenbeschaffenheit auf den Prozess der Biofilmbildung und (2) der indirekte Effekt auf die Stabilität der Biofilme sowie auf das Adsorptionsvermöge

Projekt B2: Indirekte Effekte von Mikroplastik auf invertebrate Weidegänger


Der Einbau von Mikroplastik in Biofilme könnte die Nahrungsqualität reduzieren. Daher soll experimentell untersucht werden, ob Mikroplastik indirekte Auswirkungen auf aquatische Herbivore hat. Die Mikroplastikkonzentrationen werden durch quantitative NMR-Spektroskopie analysiert, einer neuen, zerstörungsfreien und gleichzeitig qualitativen wie quantitativen Bestimmungsmethode.

Projekt B3: Von der makroskopischen bis zur molekularen Ebene: Innovative in-situ Methoden zur Untersuchung indirekter anthropogener Effekte in aquatischen Biofilmen


Der Einfluss indirekter anthropogener Effekte, insbesondere des Klimawandels sowie xenobiotischer Effekte durch Einbringung von Mikroplastik, auf Filmbildungsprozesse, Morphologie und Stabilität von aquatischen Biofilmen soll mittels innovativer in-situ Methoden untersucht werden. Beispielsweise führt Temperaturerhöhung zur Änderung der Biodiversität und Mikroplastik wirkt als Vektor für Schadstoffe und (ökosystemfremde) Mikroorganismen. Ziel der Untersuchungen ist die Unterscheidung von primären und sekundären Effekten sowie die Identifikation von Ursachen. Hierzu sollen dynamisch-mechanische Methoden, die integrale Informationen über die Stabilität und Haftung von Biofilmen liefern und Rasterkraftmikroskopie, welche Einblicke in die Haftung und Morphologie mit einer Ortsauflösung im sub-Mikrometer Bereich ermöglicht, durchgeführt werden. Mittels eines Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie-Eigenbaus können durch selektive Markierung der Biofilmbestandteile Veränderungen der Wechselwirkungen der einzelnen Biosystemkomponenten mit Oberflächen und untereinander auf molekularer Ebene identifiziert werden.

Projekt B4: Sekundäre toxische Belastung durch Alterung von Kunststoffen in aquatischen Ökosystemen


Kunststoffe unterliegen in der Umwelt durch Licht, Temperatur, Feuchtigkeit und mikrobiellem Bewuchs starken physikochemischen Veränderungen. Der Einfluss dieser Veränderungen auf das Freisetzungs- und Sorptionsverhalten von Schadstoffen und damit auf das mögliche ökotoxikologische Potential der Kunststoffe stellt einen indirekten Effekt dar, welcher bisher unzureichend untersucht ist. Am Beispiel von Verpackungsmaterialien und Baustoffen wird die Auswirkung der umweltbedingten Degradation auf das Verhalten von Kunststoffen in aquatischen Systemen und deren ökotoxikologisches Potential untersucht, wobei Adsorptionsprozesse von gelösten Schadstoffen an die gebildeten Mikroschadstoff-partikel und damit deren Eintritt in die Nahrungskette im besonderen Fokus stehen.

Die strategische Zielrichtung des Konsortiums ist die Einwerbung eines strukturierten Programms der DFG, speziell eines Graduiertenkollegs. Diesbezüglich förderlich wird sich die Interdisziplinarität des Konsortiums, der breite wissenschaftliche und methodische Ansatz und die Besetzung eines hochaktuellen und wichtigen Forschungsthemas auswirken. Das Konsortium, welches perspektivisch den Nucleus eines Graduiertenkollegs bilden soll, wird für die beteiligten Doktorand*innen ein strukturiertes Ausbildungsprogramm entwickeln.

Die in den beiden Clustern beschriebenen Teilprojekte untersetzen somit die Größen X, Y und Z, die in Abb. 1 zur Erläuterung des Prinzips indirekter Effekte genutzt wurden, durch global relevante Stressoren, Mediatoren und Systeme, deren Interaktionen das Konsortium interdisziplinär untersuchen wird (Abb. 2). Hierdurch wird ein vertiefter Beitrag zum Verständnis indirekter Effekte geleistet und gleichzeitig die an den Themen arbeitenden Doktorand*innen als Multiplikator*innen dieses Verständnisses wissenschaftlich ausgebildet.

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Projektpartner

Bundesanstalt für Gewässerkunde

Beteiligte Einrichtungen