Risk assessment of plant protection products in stream mesocosms with special consideration of aquatic biofilm communities and macrozoobenthos

Abstract

Süßgewässer stellen für uns Menschen essentielle Ökosystemleistungen bereit. Insbesondere der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln auf landwirtschaftlichen Flächen kann enorme Einflüsse auf das aquatische Nahrungsnetz haben. Innerhalb der prospektiven Risikobewertung von Pflanzenschutzmitteln können Higher-Tier-Studien in Form von aquatischen Mesokosmosstudien im Halbfreiland Erkenntnisse im ökosystemaren Kontext liefern. Hierbei ist besonders wichtig, dass in der zu testenden Lebensgemeinschaft besonders empfindliche Arten (vulnerable species) vertreten sind, z.B. Makroinvertebraten mit einer langen Generationszeit. Der Anteil dieser Arten ist in Fließgewässern häufig höher als in Stillgewässern. Des Weiteren spielen Mikroorganismen eine wichtige Rolle in Fließgewässern, da sie z.B. Laub zersetzen und die so enthaltenen Nährstoffe anderen Organismen verfügbar machen. Innerhalb der heute üblichen ökotoxikologischen Risikobewertung von Pflanzenschutzmitteln werden allerdings mit Ausnahme von Algen keine direkten bzw. indirekten Effekte auf die Mikroorganismengemeinschaft in aquatischen Labor- bzw. Halbfreilandstudien berücksichtigt. In der vorliegenden Arbeit wurden Ansätze entwickelt, mit denen das Risiko von Pflanzenschutzmitteln auf repräsentative Fließgewässerbiozönosen bewertet werden kann. Hierbei wurden neu entwickelte Fließgewässermesokosmen verwendet. Das Augenmerk lag dabei auf Makroinvertebraten und Mikroorganismen. In der ersten Studie wurde das Pflanzenschutzmittel Carbaryl mit insektizider Wirkung als Modellpestizid verwendet. Die zweite Studie ging die Herausforderung an, das Risiko eines Fungizids (Modellfungizid Tebuconazol) auf die aquatische Biozönose, vor allem Mikroorganismen, zu untersuchen und gleichzeitig neu entwickelte Methoden für die Risikobewertung in die Mesokosmosprüfungen einzuführen. Innerhalb der beiden Studien wurden die neu entwickelten Fließgewässermesokosmen realitätsnah entsprechend einem kleinen Fließgewässer in der Nähe einer landwirtschaftlichen Fläche bestückt und es konnten pestizidbedingte Effekte bei Makroinvertebraten und Mikroorganismen beobachtet werden. Diese Fließgewässermesokosmen besitzen eine hohe ökologische Aussagekraft und können innerhalb des höherstufigen Testverfahrens zur aquatischen Risikobewertung von Pflanzenschutzmitteln verwendet werden. Freshwaters provide essential ecosystem services. Particularly, the use of plant protection products in agricultural areas and other chemicals used in industry might influence the aquatic food web. Within the prospective risk assessment of plant protection products, higher-tier studies with semi-field aquatic mesocosms can provide further information on the risk of a pesticide on ecosystem level. Hereby, it is important that vulnerable species are represented within the tested aquatic biocenosis, e. g. macroinvertebrates with long generation times or minor fecundity. The number of vulnerable species is often higher in lotic waterbodies compared to lentic ones. Furthermore, microorganisms play an important role in running waters, because they e.g. decompose leaf litter and in doing so they make nutrients available for other aquatic organisms. However, within the current ecotoxicological risk assessment of plant protection products no direct and indirect effect on microorganism community apart from algae will be assessed in laboratory and semi-field studies. In the present work approaches were developed to assess the risk of plant protection products on representative lotic waterbody biocenosis. Here, newly constructed stream mesocosms were used for conducting two higher-tier studies. Close attention was focused on macroinvertebrates and microorganisms. In the first study the plant protection products carbaryl with insecticidal mode of action was used as a model pesticide. Focus of the second study was the risk assessment of fungicides on the aquatic biocenosis and simultaneously develop new suitable methods for the risk assessment of fungicides within higher-tier studies on aquatic microorganisms. Tebuconazole was used as model fungicide.For both case studies the newly constructed stream mesocosms were realistically assembled representing a small lotic waterbody within an agricultural area and pesticide related effects on macroinvertebrates and microorganisms were observed. The newly constructed stream mesocosms possess a high ecological force of expression and can be used within aquatic risk assessment of plant protection products and other chemicals for higher-tier testing.