Surface waters under multiple stress

Water is essential for life on earth. Fresh and marine surface waters not only provide a great variety of habitats for many aquatic plant and animal species, they also fulfil various essential ecosystem functions, such as the provision of clean drinking water or the regulation of the climate. However, the condition of surface waters is increasingly declining worldwide, which severely threatens their biodiversity and ecosystem functions. We are in the midst of a biodiversity crisis, with over 40,000 plant and animal species being at risk of extinction. In addition, the capacity of surface waters to provide essential functions is decreasing.

 

This deterioration is driven by increasing human impacts, which have substantially modified the earth’s surface and atmosphere to exploit its functions. These impacts drive several stressors affecting biodiversity and ecosystem functions and nowadays, most areas are affected by multiple, co-occurring stressors. Such multiple stressors can act independently, but they can also interact with each other, enhancing or dampening their combined effect. The severe effects of multiple stressors on the global ecosystem require the conservation of intact and restoration of damaged ecosystems.

 

For successful environmental management, multiple stressor interactions have to be taken into account, as they require specific management measures. However, understanding the stressoreffect relationships and predicting interactions and combined effects of multiple stressors remains a major challenge, making effective management of surface waters difficult.

 

Assessing the current condition of surface waters and identifying the stressor effects and interactions that cause this condition are crucial for a successful environmental management. The aim of this work is supporting the future conservation and restoration of surface waters by addressing contemporary challenges in environmental assessment and stressor research:

 

Chapter 1: The assessment of the condition of a specific water body, including potential stressors affecting the area, is the basis for environmental management. Hence, comprehensive monitoring programmes that acquire information on the environmental status of the system are essential. In this chapter, novel methods with the potential to enhance marine monitoring are identified and rated. The main benefits of these methods are the autonomous collection of realtime data with enhanced spatial and temporal resolution as well as data acquisition on ecosystem elements that have not yet been monitored. Chapter 2: The experimental study of multiple stressors can help to disentangle interactions and effects of specific stressor combinations. Thus, it helps to derive guidelines for effective management. In this chapter, a stream-mesocosm experiment to study the combined effects of fine sediment and a novel insecticide on the decomposition of organic matter as an important ecosystem function is evaluated. Results indicate that both stressors can inhibit organic matter decomposition. An interaction between the two stressors was not detected under the given conditions.

 

Chapter 3: In order to detect and quantify possible stressor interactions, an understanding of the factors that influence stressor interactions and effects is essential. Several factors relating to ecological processes are already known, but the role of the sampling strategy has not been examined so far. In this chapter, the influence of sample size and stressor gradient length on observed multiple stressor effects is studied. The results indicate that both factors play a significant role in shaping observed multiple stressor effects. This highlights the need for cautious interpretation of observed effects and adaptive environmental management. For the future conservation and restoration of ecosystems, further research is needed. Shifting from descriptive frameworks towards a mechanistic understanding of multiple stressor effects might improve the prediction and promote the management of multiple stressors. In addition, further studies on stressor mitigation are needed to better assess restoration effects, as current studies mostly focus on the effects of increasing stressor levels. Global biodiversity as well as ecosystem functions are already severely threatened and trends are alarming, making immediate conservation and restoration measures urgently needed. The effects of measures cannot be predicted with certainty and therefore, they need to be constantly monitored in order to detect possible unintended consequences like adverse effects on the environment and to be able to revise the measures accordingly.

Wasser ist die Grundlage für das Leben auf der Erde. Flüsse, Seen und Meere bieten nicht nur eine große Vielfalt an Lebensräumen für aquatische Pflanzen- und Tierarten. Sie erfüllen auch wichtige ökologische Funktionen wie die Selbstreinigung von Wasser oder die Regulierung des Klimas, die die Grundlage für das Überleben aller Lebewesen sind. Der Zustand der Gewässer verschlechtert sich jedoch weltweit, was ihre biologische Vielfalt stark gefährdet. Wir befinden uns heute inmitten einer Biodiversitätskrise: Über 40.000 Pflanzen- und Tierarten sind vom Aussterben bedroht und die Gewässer verlieren zunehmend ihre Fähigkeit, essenzielle ökologische Funktionen auszuführen.

 

Angetrieben wird diese negative Entwicklung durch den zunehmend invasiven menschlichen Einfluss auf den Planeten. Seit Jahrhunderten verändern die Menschen die Erde und ihre Atmosphäre massiv, was zu einer Vielzahl an Stressoren geführt hat, die die biologische Vielfalt sowie ökologische Funktionen gefährden. Heutzutage treten meist mehrere Stressoren gleichzeitig auf. Multiple Stressoren können unabhängig voneinander wirken, aber auch miteinander interagieren, was ihre Effekte auf das Ökosystem wiederum verstärken oder abschwächen kann. Die schwerwiegenden Auswirkungen multipler Stressoren auf das globale Ökosystem erfordern ein weitreichendes Umweltmanagement, um intakte Gewässer zu schützen und geschädigte Gewässer zu renaturieren.

 

Für ein erfolgreiches Umweltmanagement müssen potentielle Interaktionen multipler Stressoren berücksichtigt werden, da diese spezifische Maßnahmen erfordern. Doch die Entschlüsselung der Mechanismen hinter den Interaktionen und die Voraussage ihrer Effekte stellen nach wie vor eine große Herausforderung dar.

 

Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein erfolgreiches Umweltmanagement zu unterstützen, indem moderne Methoden des Gewässermonitorings bewertet werden und neue Erkenntnisse über Interaktionen und Effekte multipler Stressoren gewonnen werden. Damit leistet diese Arbeit einen Beitrag zum dringend notwendigen Schutz und zur Renaturierung von Oberflächengewässern.

 

Kapitel 1: Die Grundlage für ein erfolgreiches Umweltmanagement besteht darin, den Zustand des untersuchten Gewässers genau zu kennen. Hierfür ist ein umfassendes Monitoring, das Daten über den biologischen, chemischen und physikalischen Zustand des Gewässers liefert, unerlässlich. In Kapitel 1 werden Methoden dargestellt und bewertet, die das Potential haben, das marine Monitoring zu verbessern. Zu den Vorteilen dieser Methoden gehören vor allem das autonome Sammeln von Echtzeitdaten mit verbesserter räumlicher und zeitlicher Auflösung, sowie eine breitere Datengrundlage.

 

Kapitel 2: Die experimentelle Untersuchung multipler Stressoren trägt dazu bei, Interaktionen und Effekte spezieller Stresskombinationen zu entschlüsseln. Dies ermöglicht das Ableiten von Leitlinien für ein erfolgreiches Management. In Kapitel 2 werden die Auswirkungen von Feinsediment und des neuartigen Insektizides Chlorantraniliprol auf den Abbau organischer Stoffe in Fließgewässern untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Stressoren den Abbau organischer Stoffe hemmen können. Eine Interaktion zwischen den beiden Stressoren wurde unter den gegebenen Bedingungen nicht festgestellt.

 

Kapitel 3: Um die Effekte multipler Stressoren ermitteln zu können, ist es wichtig zu verstehen, welche Faktoren diese beeinflussen. Hierzu zählen beispielsweise die Identität der Stressoren, Wechselwirkungen zwischen Pflanzen- und Tierarten oder evolutionäre Anpassungen an Stressoren. In Kapitel 3 wird untersucht, welchen Einfluss die Stichprobengröße und die Länge des Stressgradienten bei der Berechnung der Stresseffekte haben. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass beide Faktoren eine wichtige Rolle spielen und beweisen damit die Notwendigkeit, berechnete Stresseffekte vorsichtig zu interpretieren. Außerdem wird durch den Einfluss der Länge des Stressgradienten klar, wie wichtig ein adaptives Umweltmanagement ist, um Maßnahmen gegebenenfalls an sich verändernde Bedingungen anpassen zu können.

 

Um Gewässer zukünftig zielgerichteter schützen und renaturieren zu können, ist weiterführende Forschung notwendig. Einerseits wird ein tieferes Verständnis der Mechanismen benötigt, wie multiple Stressoren miteinander interagieren und auf das Ökosystem wirken. Andererseits sind verstärkt Studien erforderlich, die sich auf die Auswirkungen von reduziertem Stress konzentrieren, um die Effekte von Renaturierungsmaßnahmen differenzierter beurteilen zu können.

 

Die globale biologische Vielfalt sowie die ökologischen Funktionen von Gewässern sind bereits stark gefährdet und Prognosen zur zukünftigen Entwicklung sind alarmierend. Deshalb sind sofortige Schutz- und Renaturierungsmaßnahmen dringend erforderlich. Obwohl die Effekte potentieller Maßnahmen bisher nicht sicher vorausgesagt werden können, sollte dies deren Umsetzung nicht bremsen. Stattdessen sollten die Auswirkungen von Schutz- und Renaturierungsmaßnahmen kontinuierlich überwacht werden, um mögliche nachteilige Effekte auf die Umwelt frühzeitig zu erkennen und Maßnahmen entsprechend überarbeiten zu können.

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