Arbeitsgruppe Fließgewässerökologie

 Renaturierungsprojekte in Fließgewässern fokussieren in aller Regel nicht die Verbesserung der aquatisch-terrestrischen Kopplung oder die Förderung aquatischer Subsidien. Daher soll im Projekt INTASAQUA genauer analysiert werden, ob solche Renaturierungen positive Auswirkungen auf die auf die Nahrungsverfügbarkeit für uferbewohnenden Insektenfresser haben können. In diesem Zusammenhang ist es in dieser Arbeit die Aufgabe im Uferbereich der Nister die Bedeutung von Gewässer- und Uferstrukturen auf die räumliche Verteilung der aquatischen Emergenz und terrestrischer Fluginsekten zu analysieren. Dazu sollen mittlere Biomassen für aquatische Insekten bestimmt werden, um anschließend bereits vorhandene Abundanzdaten in Biomasse umzurechnen und analysieren zu können. Die Biomasse der ebenfalls bereits vorhandenen terrestrischen Insekten soll mittels direkter Wägung bestimmt werden.

Renaturierungsprojekte in Fließgewässern fokussieren in aller Regel nicht die Verbesserung der aquatisch-terrestrischen Kopplung oder die Förderung aquatischer Subsidien. Daher soll im Projekt INTASAQUA genauer analysiert werden, ob solche Renaturierungen positive Auswirkungen auf die Nahrungsverfügbarkeit für uferbewohnenden Insektenfresser haben können. In diesem Zusammenhang ist es in dieser Arbeit die Aufgabe zu Analysieren ob die im Winter 2020/21 durchgeführte Renaturierung zu einer signifikanten Änderung in den Abundanzen der aquatischen Emergenz über der Nister sowie im angrenzenden Uferbereich geführt hat. Hierzu sollen Emergenzproben in 2022 gesammelt und ausgewertet werden, um die Ergebnisse mit den bereits vorhandenen Daten aus 2021 zu vergleichen. Somit liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf der Bestimmung der aquatischen Emergenz von 2022 sowie in der statistischen Analyse der Daten im Befor-after-control-impact (BACI)-Design.

In den letzten Jahren wurden an der Nister 3 Stellen renaturiert, wobei der Fokus auf der Verbesserung der Habitatqualität und der Erhöhung der Substratdiversität lag. Im Rahmen dieser Arbeit soll nun die Auswirkung dieser Maßnahmen auf die ökologische Qualität der Makrozoobenthosbesiedlung und auf die Habitatqualität untersucht werden. Es liegen umfangreiche Daten zum Zustand vor der Renaturierung vor. Die Daten für den Zustand nach der Renaturierung sollen im Rahmen dieser Arbeit erhoben und mit dem Vorher-Zustand verglichen werden.

In den letzten Jahren wurden an der Nister 3 Stellen renaturiert, wobei der Fokus auf der Verbesserung der Habitatqualität und der Erhöhung der Substratdiversität lag. Neben einer möglichen Veränderung der Makrozoobenthosbesiedlung, ist auch eine Verbesserung wichtiger Ökosystemleistungen zu erwarten. Am Beispiel der Laubabbaurate soll hier untersucht werden, ob die durchgeführten Renaturierungsmaßnahmen zu einer Steigerung der Ökosystemleistung geführt haben. Dazu soll in 3 Teilbereichen der Nister jeweils innerhalb und oberhalb einer renaturierten Strecke die Laubabbaurate bestimmt werden.

Im Rahmen eines Renaturierungsprojektes an der Nister werden neben habitatverbessernden Maßnahmen auch Bachmuscheln nachgezüchtet, die demnächst an geeigneten Stellen ins Gewässer ausgebracht werden sollen. Allerdings ist momentan noch nicht bekannt, nach welchen genauen Kriterien diese Stellen ausgewählt werden sollen. Es ist daher hier die Aufgabe, funktionale und non-funktionale Bachmuschelhabitate bezüglich ihrer abiotischen Eigenschaften zu Charakterisieren und zu vergleichen. Aus diesem Vergleich soll zuerst ein Kriterienkatalog zur Auswahl von geeigneten Ausbringungshabitaten erarbeitet werden. Anschließend sollen potentielle Ausbringungshabitate mittels dieser Kriterien bewertet werden (nur bei Masterarbeit).

Die Interaktion zwischen herbivoren Makrozoobenthosorganismen (Grazer) und benhischen Algen (Periphyton) ist in Fließgewässern normalerweise sehr intensiv und beeinflusst damit sowohl die Makrozoobenthosbesiedlung als auch die Menge und Zusammensetzung des Periphytons. Die Nahrungsqualität des Periphytons kann diese Interaktion entscheidend beeinflussen. Um den Einfluss der Nahrungsqualität zu verstehen, ist es notwendig Periphyton mit ausgewählten Algen unterschiedlicher Nahrungsqualität zu züchten und die Reaktion von Grazern auf diese unterschiedlichen Nahrungsqualitäten zu analysieren. Daher soll im Rahmen dieser Arbeit Periphyton aus Diatomeen (gute Qualität) und Blaualgen (schlechte Qualität) gezüchtet werden. In kleinskaligen Experimenten soll dann geprüft werden, ob die Nahrungsqualität das Verhalten oder den physiologischen Zustand der Grazer beeinflusst. Teil der Arbeit ist außerdem die chemische Analyse der Nahrungsqualität über den Gehalt an ungesättigten Fettsäuren (PUFA’s) sowie Messungen physiologischer Parameter im Labor (RNA/DNA-Verhältnis).

Nahrungsqualität von Periphyton (Etablierung einer Kultivierungsmethode für standardisiertes Periphyton für Laborexperimente)

Die Nister ist ein Mittelgebirgsbach im Westerwald in welchem zunehmend Eutrophierungserscheinungen zu beobachten sind. Dort wird die Auswirkung großer herbivorer und fakultativ piscivorer Fische (Nasen und Döbel) auf die Eutrophierungseffekte im hyporheischen Interstitial untersucht. Im großskaligen Experiment konnte allerdings kein klarer Einfluss der Fische auf den Eintrag von Feinsediment ins hyporheische Interstitial beobachtet werden. Statt dessen scheinen die lokalen Strömungsverhältnisse einen maßgeblichen Einfluss zu haben.

In Mitteleuropa sind Phosphoreinträge aus kommunalen Kläranlagen ein wesentlicher Belastungspfad von Fließgewässern. Wichtig hierbei zu erwähnen ist, dass obwohl Kläranlagen in der Regel den gesetzlichen Anforderungen entsprechen und ihre Einleitungswerte einhalten, die eingeleiteten Phosphatfrachten dennoch eine Eutrophierung der unterliegenden Gewässerabschnitte verursachen können. Dies ist auch im hier näher betrachteten Einzugsgebiet der Nister der Fall, insbesondere da aufgrund der strukturellen Gegebenheiten die Abwasserbehandlung in relativ kleinen Anlagen erfolgt. In dieser Masterarbeit wurde daher analysiert, ob eine kurzfristige Verstärkung der Phosphatfällung tatsächlich zu einer Reduktion der Eutrophierungserscheinungen unterhalb der Kläranlagen führt. Während eine Reduktion der Phosphateinleitungen messbar war, konnte aber in diesem Ansatz keine Reduktion des Algenwachstums festgestellt werden.

Mikroschadstoffe sind synthetische organische Substanzen, die chemisch vielfältig, schwer biologisch abbaubar und in bereits sehr geringen Mengen hoch wirksam sind. Pilze in Biofilmen aquatischer Ökosysteme spielen eine wichtige Rolle für Stoffkreisläufe und Nahrungsnetze. Daher wurde der Einfluss von Mikroschadstoffen aus neun Kläranlagen auf die Funktion und Struktur der Pilzlebensgemeinschaft in Biofilmen von Fließgewässern untersucht. Um die Funktion (z. B. Abbau organisches Material) zu erfassen, wurden extrazelluläre Enzymaktivitäten gemessen.

Die Mikroschadstoffbelastung hatte keinen Einfluss auf die Phenol-Oxidase-Aktivitäten, während das Substrat (Kläranlagenstandort mit viel Laub) von Bedeutung war. Hingegen hatten Mikroschadstoffe einen positiven Einfluss auf die Phosphatase- und Leucin-Aminopeptidase-Aktivitäten, wobei der zugrundeliegende Mechanismus nicht nachgewiesen werden konnte. Die Pilzlebensgemeinschaft war durch eine geringe Diversität gekennzeichnet, was durch den Vergleich mit der Bakterienlebensgemeinschaft bestätigt wurde. Mikroschadstoffe hatten einen positiven Einfluss auf die Diversität der Pilzlebensgemeinschaft, was jedoch auch beim chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), beim pH-Wert und bei der Temperatur beobachtet wurde. Demnach ist der positive Einfluss nicht nur auf die Mikroschadstoffe zurückzuführen. Ein Mikroschadstoffeinfluss auf die Zusammensetzung der Pilzlebensgemeinschaft war nicht erkennbar. Hingegen wurde ein positiver Einfluss auf die Zusammensetzung der Pilzlebensgemeinschaft durch die Metalle, den CSB, den pH-Wert und die Temperatur bestimmt.

Mikroschadstoffe sind Zivilchemikalien, die bereits in geringen Konzentrationen biologisch hoch wirksam sind und durch das Abwasser in die Gewässer gelangen. Die in Oberflächengewässern befindlichen mikrobiellen Lebensgemeinschaften können durch Mikroschadstoffe nachteilig beeinträchtigt werden. Zur Erfassung der Auswirkungen der Mikroschadstoffe auf die Funktion und Struktur der mikrobiellen Lebensgemeinschaften, wurden an neun Kläranlagenstandorten in Nordrhein-Westfalen (NRW) sowohl oberhalb als auch unterhalb des Kläranlageneinlaufes Biofilmproben von Steinen aus den Fließgewässern entnommen. Für die Bestimmung der Funktion wurden die Enzymaktivitäten der β-Glucosidase, Leucin-Aminopeptidase und Phosphatase durch Fluoreszenzmessungen analysiert. Durch die molekularbiologische Analyse des terminalen Restriktionsfragment-längenpolymorphismus (tRFLP) anhand der spezifischen 16S-rRNA-Gensequenz wurde die Diversität und Zusammensetzung der Bakterienlebensgemeinschaften untersucht.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Funktion und Struktur der Bakterienlebensgemeinschaften entlang des Mikroschadstoffgradientens verändern. Bei den extrazellulären Enzymen konnte mit zunehmender Mikroschadstoffbelastung eine Steigerung der Phosphatase-Aktivität analysiert werden. Zudem wurde entlang des Mikroschadstoffgradienten zum einen die Diversität der Bakterien verringert und zum anderen wurden sich die Lebensgemeinschaften in der Artzusammensetzung immer unähnlicher.

Obwohl der invasive Amphipod Dikeragammarus villosus als eine Bedrohung für einhemische Makrozoobenthosarten gilt, wird immer wieder eine Koexistenz mit nativen Amphipoden im Freiland beobachtet. Daher stellt sich die Frage, ob sich die Substratpräferenzen verschiedener Amphipoden unterscheiden und es daher durch kleinräumige Einnischung der Arten zu solchen Koexistenzen kommen kann. Daher untersuche ich in Laborfließrinnen die Subtratpräferenz von D. villosus, dem einheimischen Gammarus pulex und einem bereits seit längerer Zeit naturalisierten Einwanderer G. roeselii. In Kurzzeitexperimenten können alle Arten zwischen größeren Steinen, mittlerem Kies und einem feinen Substrat wählen.

Eutrophierungsbedingtes, massenhaftes Algenwachstum führt in vielen Fließgewässern im Frühjahr zu einer biogenen Kolmation des Kieslückensystems und beeinträchtigt so dessen ökologische Funktionalität. In einem mesoskaligen Kurzzeitexperiment an der Nister wurden die Effekte herbivorer Nasen auf die Algenbiomasse untersucht. Entgegen den Erwartungen war in den Behandlungen ohne Fischen eine signifikant niedrigere Algenbiomasse beobachtet. Dies ist höchstwahrscheinlich durch indirekte Effekte zu erklären, da neben den Nasen auch benthivore Fische ausgeschlossen wurden. Das hat vermutlich das Makrozoobenthos entlastet und zu der beobachteten höheren Biomasse invertebrater Weidegänger und einem dementsprechend intensiveren Grazing bei Fischausschluss geführt.

Die Phosphatverfügbarkeit in Fließgewässern hat einen bedeutenden Einfluss auf die lokale Biozönose. Im Hinblick auf die grundlegenden Reaktionen des Makrozoobenthos als Lebensgemeinschaft auf unterschiedliche Phosphatkonzentrationen liegen bisher jedoch nur unzureichende Forschungsergebnisse vor. Im Zuge dessen werden vier unbeeinflusste Mittelgebirgsbäche mit geogen bedingten Unterschieden der Phosphatverfügbarkeit untersucht. Zum einen sollen Erkenntnisse über die Entwicklung der trophischen Struktur entlang des Phosphatgradienten mittels stabiler Isotopenanalyse gewonnen werden. Zum anderen sollen die Lebensgemeinschaften hinsichtlich ihrer funktionellen Diversität verglichen werden, die als ein Schlüsselfaktor der ökosystemaren Prozesse gilt.

Diese Masterarbeit wurde im Rahmen des Emmy Noether-Projekts „Mechanismen und Konsequenzen aquatischer Invasion in Europäischen Flüssen“, erstellt werden. Mit Hilfe von Freiland-Mesokosmosexperimenten wurde der Einfluss von D. villosus auf die benthische Gemeinschaft des Rheins untersucht. Es wurde die Hypothesen gestestet, dass die Artendiversität des Makrozoobenthos in den Substratkörben abhängig von der D. villosus Dichte ist und dass eine höhere Biomasse von D. villosus in den Substratkörben zu einer geringeren Biomasse von Chelicorophium curvispinum führt.

Zwei Mittelgebirgsbäche mit unterschiedlichen geogenen Phosphateinträgen werden bezüglich Zusammensetzung und Biomasse des Periphytons sowie benthischer Grazer untersucht. Um festzustellen wie sich die Bottom-up Steuerung des Periphytons auf die Grazer auswirken, werden diese bezüglich ihrer Biomasse und ihrer Investition in Wachstum, mittels RNA/DNA Verhältnis, untersucht.

The RNA/DNA ratio can be used as an index of protein synthetic capacity and is expected to reflect an organism’s investment in growth. Therefore the aim of this study is to use it as an indicator of stress. In an indoor flow channel experiment using D. villosus it is analysed whether low food quantity or quality will affect RNA/DNA ratio and whether this response is correlated with changes in somatic growth rate.

Es ist anzunehmen, dass es artenspezifische Reaktionen und Anpassungsstrategien an veränderte Umweltbedingungen gibt, die eine unterschiedliche Konkurrenzfähigkeit des Organismus zur Folge haben und somit auch den Invasionserfolg beeinflussen. Aus diesem Grund soll in dieser Arbeit untersucht werden, ob der Invasionserfolg von D. villosus auf einer höhere physiologische Plastizität gegenüber einheimischen Arten beruht, die ihn einen größeren Umfang an Umweltbedingungen tolerieren lassen. Zudem soll getestet werden, ob ein effektiverer Energiestoffwechsel von D. villosus zu einem höheren „Scope for Growth“ führt.

Die erfolgreiche Einwanderung von D. villosus wird u.a. auf seine intensive räuberische Ernährungsweise zurückgeführt wie sie in Laborexperimenten beobachtet wurde. Seine trophische Rolle im natürlichen System ist dennoch kaum klar, kann aber mit der Stabilen Isotopenanalyse untersucht werden. Eine genaue Interpretation ist aber nur möglich, wenn die Anreicherungswerte der Isotope bekannt sind, die durch die trophische Fraktionierung einer Ressource im Stoffwechsel des Konsumenten bedingt sind. Diese Werte wurden erstmalig in einem 8-wöchigem Laborexperiment mit D. villosus ermittelt, der auf pflanzlicher als auch auf tierischer Nahrung gehältert wurde.

Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in einem Poster auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Limnologie vorgestellt und als eines der besten Poster prämiert.

In der Türkei sind die taxonomische Zusammensetzung und die Ökologie der Lebensgemeinschaften von Fließgewässern bisher nur lückenhaft bekannt. Aktuell werden in der Türkei Bewertungsverfahren für die Zustandsbewertung der Fließgewässer entwickelt. Dafür werden bestehende, in anderen Ländern etablierte Methoden der Gewässerklassifizierung an die Besonderheiten türkischer Fließgewässer angepasst. Im Rahmen einer bestehenden internationalen Kooperation der Universität Koblenz-Landau mit türkischen Wissenschaftlern werden Grundlagen für die Bewertung türkischer Fließgewässer geschaffen. Dazu werden in fünf unbeeinflussten Zuflüssen des oberen Euphrats habitatspezifische MZB-Proben entnommen. Desweiteren wird die Stellung abundanter Taxa im Nahrungsnetz mittels Analyse stabiler Isotopen ermittelt. Die untersuchten Bäche sollen als Referenzgewässer für die Bewertung von Gewässern gleichen Typs verwendet werden.

Im Oktober 2012 wurde erstmals eine Verunreinigung der Quelle des Burbaches nordwestlich Thalhausens (Kreis Neuwied) mit Sliagesickersaft seitens einer ansässigen Biogasanlage registriert. Einer Ausbreitung der Verunreinigung wurde mit verschiedenen Maßnahmen, darunter der Errichtung einer sich noch heute in Betrieb befindlichen mobilen biologischen Kläranlage entgegengesteuert.Es wird allerdings die Frage gestellt, was die ökologischen Folgen dieser Verunreinigung für das Gewässer sind. Vor dem Hintergrund dieser Thematik konzentrieren sich die innerhalb dieser Masterarbeit geplanten Untersuchungen sowohl auf den Burbach als auch auf die nachfolgenden Gewässer Iserbach und Saynbach. Anhand unterschiedlicher Analysen, welche sowohl die Gewässerlebensgemeinschaften als auch die chemischen und physikalischen Beschaffenheiten des Wassers einschließen, soll die ökologische Beurteilung der Gewässer nach den Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie und so eine erste Einschätzung der möglichen Auswirkungen der Verunreinigung, allen voran des Burbaches, und dessen Reichweite ermöglicht werden.

Precopulatory mate guarding is a common reproductive behaviour stage in freshwater amphipods. In the precopula phase males hold females for several days until the female molts and fertilization is possible. Between late summer and early winter the freshwater amphipods Gammarus fossarum and G. pulex usually undergo a non-breeding resting period during which the formation of precopula pairs ceases. Previous research results obtained by Becker et al. (2013) showed that in both species the onset of the resting period coincides with a lack of stored energy. It is therefore the aim of this study to verify experimentally whether the cessation of precopulatory mate guarding is caused by energetic depletion.

Seit dem Zusammenbruch der Nasenbestände an der Nister mit dem Auftreten der ersten Kormorane im Winter 1997/1998 hat sich die Gewässergüte der Nister massiv verschlechtert. Algenblüten und damit einhergehende pH-Werte von teils über 9,5 in Frühjahr und Sommer können nicht alleine durch Veränderungen der Phosphat- und Nitrateinträge erklärt werden. Durch ins Gewässer eingebrachte Betonplatten mit und ohne elektrischen Fischzäunen soll nachgewiesen werden, dass die Nase als herbivorer Fisch in erheblichem Maße zum Eindämmen der Algenblüten und somit zum Erhalt der Gewässergüte beitragen kann.

Das Verhältnis von RNA zu DNA im Gewebe eines Organismus kann Aufschluss über die aktuelle Wachstumsrate geben. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode etabliert, RNA- und DNA-Konzentrationen von D. villosus zu bestimmen. In einem zusätzlichen Laborexperiment soll überprüft werden, ob das RNA/DNA-Verhältnis tatsächlich mit der Wachstumsrate der Organsimen korreliert.

Meine Bachelorarbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen von des eingewanderten Amphipoden Dikerogammarus villosus auf die Artengemeinschaft des Makrozoobenthos der Elbe. Dazu werde ich Proben auswerten, die im Mesokosmosexperiment des Emmy Noether-Projekts gewonnen wurden. Ich werde Proben unterschiedlicher D. villosus-Dichte auszählen und im Hinblick auf Dichte und Größe der anderen Makrozoobenthosarten miteinander vergleichen

In Rahmen meiner Masterarbeit habe ich in Tunceli (Türkei) die Habitatqualität je eines mit Schwermetallen belasteten und unbelasteten Flusses (Pülümür und Munzur) verglichen. Dies erfolgte durch eine Analyse der Makrozoobenthosbesiedlung und der Messung physiologischer Eigenschaften einiger Invertebraten (Glykogen und Fettreserven).