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| The decline of sensitive species in agricultural streams is mainly attributed to pesticide contamination even below the regulatory acceptable concentrations. Very low toxic pressure may thus determine ecological and evolutionary processes responsible for the current loss in biodiversity and leading to adaption at community and individual level. In order to improve the current risk assessment this dissertation aims to analyze factors that may shape the response of organisms to chemicals in the field. To analyze the effect of long-term exposure to low pesticide concentrations in natural populations a field investigation was conducted (Chapter 2). We observed that populations from contaminated streams were up to 2.5-fold more tolerant to clothianidin. However populations showing increased insecticide tolerance were characterized by reducedsurvival per capita growth and mating when cultured under pesticide free conditions. Given that multi-stress conditions may occur more often under global change scenarios the adaptation to one stressor might shape the response to another stressor (Chapter 3). We observed that agricultural populations are on average 2-fold more tolerant to insecticide clothianidin as compared to reference populations. After experimental pre-exposure to very low concentration (LC50/ 1000) only reference populations showed increased pesticide tolerance. Under multiple stress of pesticides and elevated temperature both reference and agricultural populations showed a similar tolerance to the combined stress of pesticides and warming due to stronger synergistic effects in adapted populations. However agricultural populations were more sensitive to elevated temperature alone due to the hypothesized fitness cost of genetic adaptation to pesticides and as a result pesticide adaptation loses its advantage. Although pesticide tolerance enables the survival of tolerant species incontaminated streams long-term exposure to pesticides may alter theirgenetic structure (Chapter 4). G. pulex collected from 38 small streams showed that pesticide exposure increased the pesticide tolerance reduced the genetic diversity resulted in an adopted genetic composition and compromised individual fitness in locally adapted populations. Specifically an increased frequency of “high contamination alleles” and a decrease of “low contamination alleles” was observed with increasing contamination. Furthermore the individual per capita growth decreased with increasing trade-offs of genetic adaptation. Nevertheless G. pulex contributed an average of 44% of macroinvertebrate abundance and benefited from reduced interspecific competition with vulnerable species in contaminated streams. Condering global change scenario and persistent stress leading toadaptation the question arises: How can the combined effects of theseapparently contradictory processes be predicted (Chapter 5)? We show that pesticide adapted G. pulex from agricultural streams were more tolerant to pesticides (clothianidin prochloraz) as compared to nonadapted populations. However joint exposure to both pesticides and temperature stress resulted in acute synergistic interactions and the combined effects were stronger in adapted populations. We hypothesize that the pesticide adaptation reduces general stress capacity of individuals and trade-off process increases sensitivity to the combined stress. The general stress exerted by each of the individual factors was quantified using the Stress Addition Model (SAM). These studies showed that pesticide pollution triggers adaptation from sub-organismal to community level. Unraveling these processes explains effects from genes to ecosystem level. | |
| Der Rückgang empfindlicher Arten in landwirtschaftlich genutzten Fließgewässern wird hauptsächlich auf die Verunreinigung durch Pestizide zurückgeführt selbst wenn diese unterhalb der zulässigen Konzentrationen liegt. Eine sehr geringe toxische Belastung kann daher ökologische und evolutionäre Prozesse bestimmen die für den derzeitigen Verlust der biologischen Vielfalt verantwortlich sind und zu Anpassungen auf Gemeinschafts- und individueller Ebene führen. Um die derzeitige Risikobewertung zu verbessern zielt diese Dissertation darauf ab Faktoren zu analysieren die die Reaktion von Organismen auf Chemikalien im Feld beeinflussen können. Um die Auswirkungen einer langfristigen Exposition gegenüber niedrigen Pestizidkonzentrationen in natürlichen Populationen zu analysieren wurde eine Felduntersuchung durchgeführt (Kapitel 2). Wir stellten fest dass Populationen aus kontaminierten Bächen eine bis zu 2 5-fach höhere Toleranz gegenüber Clothianidin aufwiesen. Die Populationen die eine erhöhte Insektizidtoleranz aufwiesen waren jedoch durch eine geringere Überlebensrate ein geringeres Pro-Kopf-Wachstum und eine geringere Paarungsbereitschaft gekennzeichnet wenn sie unter pestizidfreien Bedingungen gezüchtet wurden. Da unter den Szenarien des globalen Wandels Mehrfachstressbedingungen häufiger auftreten könnten könnte die Anpassung an einen Stressor die Reaktion auf einen anderen Stressor beeinflussen (Kapitel 3). Wir haben festgestellt dass landwirtschaftliche Populationen im Vergleich zu Referenzpopulationen im Durchschnitt eine 2-fach höhere Toleranz gegenüber dem Insektizid Clothianidin aufweisen. Nach einer experimentellen Vorexposition bei sehr niedrigen Konzentrationen (LC50/1000) zeigten nur die Referenzpopulationen eine erhöhte Pestizidtoleranz. Bei Mehrfachbelastung mit Pestiziden und erhöhter Temperatur zeigten sowohl die Referenzpopulationen als auch die landwirtschaftlichen Populationen eine ähnliche Toleranz gegenüber der kombinierten Belastung durch Pestizide und Erwärmung was auf stärkere Synergieeffekte bei den angepassten Populationen zurückzuführen ist. Die landwirtschaftlichen Populationen reagierten jedoch empfindlicher auf die erhöhte Temperatur allein was auf die angenommenen Fitnesskosten der genetischen Anpassung an Pestizide zurückzuführen ist wodurch die Anpassung an Pestizide ihren Vorteil verliert. Obwohl die Pestizidtoleranz das Überleben toleranter Arten in kontaminierten Fließgewässern ermöglicht kann die langfristige Exposition gegenüber Pestiziden ihre genetische Struktur verändern (Kapitel 4). Bei G. pulex aus 38 kleinen Bächen zeigte sich dass die Pestizidbelastung die Pestizidtoleranz erhöht die genetische Vielfalt verringert zu einer angepassten genetischen Zusammensetzung führt und die individuelle Fitness in lokal angepassten Populationen beeinträchtigt. Insbesondere wurde mit zunehmender Pestizidbelastung eine Zunahme der Häufigkeit von Allelen mit hoher Kontamination" und eine Abnahme der Allele mit geringer Kontamination" beobachtet. Darüber hinaus nahm das individuelle Pro-Kopf-Wachstum mit zunehmenden Abstrichen bei der genetischen Anpassung ab. Dennoch trug G. pulex durchschnittlich 44 % zur Makroinvertebratenabundanz bei und profitierte von der geringeren interspezifischen Konkurrenz mit anfälligen Arten in kontaminierten Bächen. In Anbetracht des Szenarios des globalen Wandels und des anhaltenden Stresses der zu einer Anpassung führt stellt sich die Frage: Wie lassen sich die kombinierten Auswirkungen dieser scheinbar widersprüchlichen Prozesse vorhersagen (Kapitel 5)? Wir zeigen dass pestizidadaptierte G. pulex aus landwirtschaftlich genutzten Bächen toleranter gegenüber Pestiziden (Clothianidin Prochloraz) sind als nicht adaptierte Populationen. Die gemeinsame Exposition gegenüber Pestiziden und Temperaturstress führte jedoch zu akuten synergistischen Wechselwirkungen und die kombinierten Effekte waren bei angepassten Populationen stärker. Wir stellen die Hypothese auf dass die Anpassung an die Pestizide die allgemeine Stresskapazität der Individuen verringert und der Ausgleichsprozess die Empfindlichkeit gegenüber dem kombinierten Stress erhöht. Der allgemeine Stress der von den einzelnen Faktoren ausgeht wurde mit dem Stress-Additions-Modell (SAM) quantifiziert. Diese Studien haben gezeigt dass die Verschmutzung durch Pestizide eine Anpassung von der suborganismischen bis zur gemeinschaftlichen Ebene auslöst. Die Entschlüsselung dieser Prozesse erklärt die Auswirkungen von den Genen bis zur Ökosystemebene. |
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