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Identification and modelling of a representative vulnerable fish species for pesticide risk assessment in Europe

 
: Ibrahim, L.

:
Fulltext (PDF; )

Aachen, 2015, 279 pp.
Aachen, TH, Diss., 2015
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-048760
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IME ()

Abstract
Für Fische und Wirbeltiere im Allgemeinen sollen durch den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln höchstens vernachlässigbare Effekte auf das Überleben von Individuen und die Abundanz und Biomasse von Populationen entstehen. Die Bewertung möglicher Effekte von Pflanzenschutzmitteln auf Fische beruht vor allem auf standardisierten Labortests, in denen Überleben, Wachstum und Reproduktion mit Arten, die stellvertretend für die im Freiland zu schützenden Arten angesehen werden, untersucht werden Da die Testung von ganzen Fischpopulationen ethisch fragwürdig ist und auch nur schwierig durchführbar wäre, müssen die Ergebnisse der Laborstudien, insbesondere für Effekte auf Wachstum und Reproduktion, auf Effekte auf Populationen im Freiland extrapoliert werden. Populationsmodelle von vulnerablen Arten ermöglichen eine mechanistische Extrapolation auf ökologisch relevante Endpunkte. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es fokale Fischarten für solch eine verfeinerte Risikoabschätzung zu identifizieren und für eine Art ein Populationsmodell für die eine verfeinerte Risikoabschätzung zu entwickeln. Zunächst wurden Fischarten bestimmt, die in weiten Teilen Europas in kleinen Gewässern in direkter Nähe von landwirtschaftlichen Flächen vorkommen und damit ein hohes Expositionsrisiko aufweisen. Für 21 solcher Arten wurden mit Hilfe von an Freilanddaten Matrixmodellen parametrisiert und von Elastizitätsanalysen festgestellt, welche Arten am empfindlichsten gegenüber letalen Effekten auf Jungfische und adulte Fische (Bachneunauge bzw. Hecht) oder Hemmung der Reproduktion (Elritze) sind.Für die Elritze wurde ein Individuen-basiertes Populationsmodell entwickelt und getestet, um von Effekten auf Fekundität, Fertilität, Schlupfrate und Überleben der Larven) auf die Populationsebene zu extrapolieren. Der gesamte Prozess der Modellbildung und Modelltestung wurde detailliert nach neusten Empfehlungen dokumentiert (TRACE Dokument). Die Anwendbarkeit des Modells auf Ergebnisse aus Standardtestes mit Fischen wurde generisch gezeigt, indem Vorschläge für ein Simulationsszenario und geeignete Populationsendpunkte erarbeitet, Reproduktionsparameter systematisch verringert und deren Auswirkung auf die Population abgeleitet wurden. Das Elritzen-Modell kann daher als Werkzeug im der gestuften Risikobewertung eingesetzt werden, wenn Effekte auf die Reproduktion von Fischen betrachtet werden müssen und von Standardtests auf mögliche Effekte auf vulnerable Populationen in der europäischen Agrarlandschaft geschlossen werden soll. Möglichkeiten für die Weiterentwicklung des Modells wie z. B. eine Kopplung mit TKTD Modellen oder saisonales Wachstum werden diskutiert. Die Arbeit bildet damit eine Grundlage für den Einsatz von Fisch-Populationsmodellen in der Risikoabschätzung von Pflanzenschutzmitteln.

 

The effect assessments of pesticides on non-target organisms mainly rely on toxicity tests using surrogate species which deliver endpoints regarding the survival, growth and reproduction of test individuals. For aquatic vertebrates (represented by fish) specific protection goals address the survival of individuals and the abundance and biomass of populations. Since individual-level endpoints can easily be measured and are cost-effective, and since testing on field populations is neither ethical nor practical for vertebrates, results of fish toxicity tests should be extrapolated to the population level, at least the measured effects on individual growth and/or reproduction. Ecologically relevant extrapolations can be achieved using population modelling of representatives of vulnerable fish species in the field, focal species, which are not only characterized by their intrinsic sensitivity to stress but also by their susceptibility to pesticide exposure and their population resilience. The conducted research comprehensively identified focal fish species for each of the following types of pesticide effects: juvenile survival, adult survival and reproduction. The susceptibility of fish species to pesticide exposure and their population resilience in case adversely affected were considered for the identification, following a step-wise filtering and matrix modelling approach. Then, an individual-based population model was built for the minnow, the identified focal species for pesticide effects on reproduction i.e. for adverse effects on fecundity, fertility, hatching or larval survival. This model can serve as a non-experimental refinement option whereby it can be used as a virtual laboratory for the assessment of measured effects on reproduction in standard toxicity tests, on the population level of an ecologically relevant fish species. The modelling process was documented following good modelling practice and the applicability of this model to ERA was generically demonstrated. This research was able to lay foundations for the use of population modelling of focal species as a refinement option for ERA of pesticides on fish. Supplementary information additionally provide a rich database on European freshwater fish which can be used for a multitude of research questions.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-439259.html