Promotionsschrift, 138 Seiten (Erstgutachter)

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Englisch version see below.

Mit dem Voranschreiten der Globalisierung nimmt durch den Wegfall von Ausbreitungsbarrieren die Ausbreitung von gebietsfremden Arten kontinuierlich zu. Diese Arten können die heimische Artenzusammensetzung und biologische Vielfalt negativ beeinflussen und gefährden. Hotspots des Invasionsgeschehens stellen die Küstengebiete rund um den Globus dar. Schutzgebieten kommt bezüglich des Erhalts ebenjener gefährdeten biologischen Vielfalt eine besondere Rolle zu.

Der Untersuchungsraum der vorliegenden Arbeit erstreckte sich über die Ostfriesischen Inseln und angrenzende Gebiete, dabei gehörte der größte Teil zum im Nationalpark Niedersächsisches Wattenmeer. Seit Beginn der 2000er Jahre sind auf Norderney Vorkommen der invasiven Art Crassula helmsii bekannt. Die Art stellt als einzig bekannter aquatischer und invasiver Neophyt im Untersuchungsgebiet eine Besonderheit dar. Senecio inaequidens wurde auf allen Inseln im Untersuchungsgebiet nachgewiesen und konnte in den vergangenen Jahrzehnten auf dem Festland rasch neue Areale besiedeln. Die Art gehört zu den sich am schnellsten ausbreitenden Neophyten. Die benötigten Standortbedingungen in Küstenraum sowie die möglichen Auswirkungen auf die heimische Flora sind für beide vorstehend genannten Arten nicht oder nur unzureichend untersucht. Anders stellt sich die Datengrundlage für die dritte genauer betrachtete Art Campylopus introflexus dar. Ihre Auswirkungen auf die Biodiversität sind gut untersucht. Einzelne Studien wiesen auf einen Rückgang der Arte hin, ob dies jedoch auf das Untersuchungsgebiet zutrifft, war nicht bekannt. Die Ausgangsdatenlage für diese Arbeit stellt eine Erfassung aller gebietsfremden Pflanzenarten aus dem Jahr 2006 dar.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden folgende Fragen beantwortet: - Wie haben sich die Bestände von Crassula helmsii, Senecio inaequidens und Campylopus introflexus entwickelt? - Wie vergesellschaften sich diese Arten? - Welche Standortansprüche weisen die Arten in Küstenökosystemen auf? - Lässt sich die weitere Entwicklung der Bestände vorhersagen?

Dafür wurde zunächst die Verbreitung der einzelnen Arten erfasst und an ausgewählten Stellen Vegetationserhebungen durchgeführt, um den Einfluss auf die Artenzusammensetzung und Artenvielfalt quantifizieren zu können. Davon ausgehend wurden an Präsenz- und Absenzstandorten verschiedene Umweltparameter wie beispielsweise der pH-Wert, die Bodenleitfähigkeit, die Korngrößenverteilung oder die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte bestimmt. Diese Ergebnisse wurden in mittels multipler generalisierter linearer Modelle (GLM) erstellte Habitatmodelle überführt, um einerseits die für die Arten wichtigen Umweltparameter zu identifizieren und andererseits ein Werkzeug zur Vorhersage der weiteren Entwicklung der Arten zu generieren.

Für Crassula helmsii und Senecio inaequidens zeigte dieser methodische Ansatz Erfolg. Es war möglich die Entwicklung der Bestände über einen längeren Zeitraum zu erfassen und gefährdete Arten und Lebensräume zu identifizieren. Darüber hinaus gelang es erstmals, die wichtigen Umweltparameter für beide Arten zu bestimmen. Es konnte gezeigt werden, dass die Arten beide nicht ihr volles Potenzial ausschöpfen und mit einer weiteren Ausbreitung zu rechnen ist.

Im Fall von Campylopus introflexus war es nicht möglich ein Habitatmodell zu erstellen. Durch die Erhebungen der Verbreitung konnte jedoch nachgewiesen werden, dass die Art im Untersuchungsgebiet rückgängig ist. Erstmals wurde gezeigt, dass Standorte an denen C. introflexus verschwunden ist, in ihrer Artenzusammensetzung kaum von Standorten zu unterscheiden sind, an denen die Art noch nie nachgewiesen wurde.

Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich darauf, mögliche neue invasive oder potenziell invasive Arten auf den Ostfriesischen Inseln zu identifizieren und die Einfuhrvektoren auf die Inseln zu benennen. Dafür wurde auf Wangerooge und Mellum die Erfassung aller gebietsfremden Arten wiederholt und erstmals auch Gebiete auf dem Festland untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Großteil der erfassten gebietsfremden Arten Zier- und Kulturpflanzen sind und dass der Mensch den wichtigsten Vektor zu der Einfuhr auf die Insel darstellt. Außerdem wurden mit Aronia prunifolia, Conyza canadensis und Lonicera involucrata bereits auf den Inseln vorkommende, mögliche Problemarten identifiziert.

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Invasive and potentially invasive neophytes of the East Frisian Islands and neighbouring areas

With the advance of globalisation, the spread of alien species is continuously increasing due to the removal of dispersal barriers. These alien species can negatively impact and threaten native species and biodiversity. Coastal areas around the globe are the hotspots of invasion, Protected areas play a special role by helping to conserve the endangered biodiversity.

This thesis focuses on the distribution, plant communities and habitat requirements of alien and potentially alien species. The study area includes the East Frisian Islands and the surrounding areas, which mostly belong to the Lower Saxony Wadden Sea National Park.

The invasive species Crassula helmsii was first recorded on Norderney in the early 2000s. The species is the only known aquatic invasive alien plant species in the study area. Furthermore, Senecio inaequidens has been recorded on all islands in the study area and has rapidly colonised new areas on the mainland in the last decades. The species is one of the fastest spreading alien species of all. The required habitat conditions in coastal areas and the possible effects on the native flora are insufficiently investigated or not investigated for the previously mentioned species. Unlike that, the impact on biodiversity of the third species, Campylopus introflexus, has been well studied. There are studies, which indicate a natural decline in covered areas, and it was unknown if this was also the case for the study area. A census of all alien plant species from 2006 serves as data basis for this work.

In the context of the present work, following questions were answered: - How did the populations of Crassula hetmsii, Senecio inaequidens and Campylopus introflexus develop since 2001? - In which communities do these species occur? - What are the habitat requirements of the species in coastal environments? - Can the further development of populations be predicted?

First, the distribution of each species was recorded, and secondly vegetation surveys were carried out at selected sites in order to be able to quantify the influence on species composition and species diversity. Based on this, various environmental parameters such as pH value, soil conductivity, grain size distribution or carbon and nitrogen levels were determined at presence and absence sites. These results were transfered into habitat models created by several generalised linear models (GLM) to identify the important environmental parameters for the species on the one hand and to create a tool for predicting the further development of the species on the other.

For Crassula helmsii and Senecio inaequidens, this methodological approach was successful and endangered species and habitats could be identified. Furthermore, it was possible for the first time to determine the important environmental parameters for both species. It could be shown that both species are not fully exploiting their potential and that further expansion is to be expected.

In the case of Campylopus introflexus, it was not possible to create a habitat model, however, by surveying the distribution, it was possible to prove that the species is decreasing in the study area. For the first time, it could be shown that sites where C. introflexus has disappeared are hardly distinguishable in their species composition from sites where the species has never been recorded.

The second part of this thesis focuses on the identification of possible new invasive or potentially invasive species on the East Frisian Islands and the naming of Import vectors. For this purpose, the census of all alien species on Wangerooge and Mellum was repeated and areas on the mainland were mapped for the first time.

It was found that most alien species recorded are ornamental and cultivated plants and that humans are the most important vector for their introduction. In addition, Aronia prunifolia, Conyza canadensis and Lonicera involucrata were identified as potential problem species already present on the islands.

Promotionsschrift, 120 Seiten (Erstgutachter)

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Deutsche Version siehe unten.

Evidence of plastic litter in the marine environment was first found in the 1960s and 70s, yet it was not until the early 2000s when research on marine debris and in particular plastics gained momentum. Over the last 20 years, knowledge of the scope and impacts of this modern environmental pollution has advanced: Plastics have been found in all known marine and freshwater habitats, from the poles to the tropics, while pronounced accumulation particularly occurs in ocean gyres. The material's durability results in slow degradation and fragmentation from macro- to micro- to nanoplastics, estimated to persist for several years and decades, if not centuries. Meanwhile, hundreds of species, including humans, are already confirmed to be impacted through interacting and ingesting plastic litter. And with advancing technologies and a growing body of science, new fields and further research questions emerge.

In the North Sea, litter pollution has been reported since the 1970s. Several environmental organisations have thus surveyed beach debris since the late 1980s, and marine litter has been identified by the European Union as a key polluter that needs to be systematically assessed, addressed, and reduced. Nonetheless, region-specific published literature on the topic is not extensive. The objective of the interdisciplinary research project "Macroplastics Pollution in the Southern North Sea - Sources, Pathways, and Abatement Strategies" at the Carl von Ossietzky University of Oldenburg was therefore to improve the understanding of sources, drift paths, and accumulation areas of floating debris in the German Bight and major tributaries through numerical modelling, field data, and experiments. Furthermore, the team set out to identify relevant stakeholders and to analyse socio-behavioural patterns with regard to waste and littering, The goal was to inform partner Organisation and the public, and to jointly devise abatement strategies. The aim of this thesis within the project was to quantitatively and qualitatively assess anthropogenic litter loads along the German North Sea coast and in the Ems, Weser, and Elbe, while investigating the role of these rivers as pollution pathways. The experimental approach of deploying uniquely identifiable wooden (and several satellite-tracked) drifters should provide further details on litter sources, dispersal, and accumulation that may not be evident from field surveys alone, and would assist in validating the drift models used within the project.

To gain an insight into past and present levels of coastal litter pollution, 25 years of beach litter monitoring data (1991-2016) from 29 sites along the German North Sea coastline were subject of an exploratory analysis in the first study. It was shown that pollution levels at all sites varied greatly over time and for only a few locations a significantly increasing (e.g. Mellum) or decreasing (e.g. Hörnum on Sylt) trend in mean annual litter abundances could be seen. Shorelines of Schleswig-Holstein accumulated less debris than those in Lower Saxony, while site-specific litter quantities were generally higher along the main coastal current, at estuaries, and in the vicinity of man-made coastal structure. Similarities in abundances of different debris types were not consistent, and the effect of wind, tides, and exposure on debris composition appeared to be minimal. Despite best efforts during data validation, unresolved inconsistencies and data gaps are likely to have compromised the full potential of this long-term data set. Human error should therefore be proactively addressed and minimised in ongoing and future monitoring work.

The second study provided a holistic assessment of macrolitter in the transitional waters of the Ems, Weser, and Elbe. Litter surveys were conducted in four river compartments, i.e. along the embankment, on the surface, in the water column, and on the river bed, categorising the recorded debris according to the standardised classification of the "OSPAR Guideline for Monitoring Marine Litter [...]". Similar to coastal litter, riverine litter was also found to vary spatio-temporally, with distinct pollution levels for each compartment. The highest debris quantities were found in the Elbe, the lowest in the Ems. Riverside beach litter was the most abundant and diverse, while river bank vegetation and harbour structures accumulated significantly less, and stony embankments were least (diversely) polluted. Daily emission rates of surface-floating and suspended litter, based on two extrapolation approaches, were combined and scaled to total annual mass discharges, using the mean and median per waste/plastic item weight determined from stow net litter samples. These estimates ranged from 0.2-2.8 ty^-1 of litter incl. 0.1-1.6ty^-1' of macroplastic emitted via theEms and 0.2-12.01 y^-1 of debris incl. 0.2-6.3 ty^-1 of plastic discharged by the Weser to 2.4-801 ty^-1 of waste incl. 2.2-451 ty^-1 of macroplastic carried into the North Sea by the Elbe. Previous discharge estimates based on global models were higher for the Ems and Weser and considerably lower for the Elbe. Possible reasons for these discrepancies are discussed. Overall, even the highest emission rates accounted for <1 % of the total mismanaged plastic waste estimated for the respective catchment, leading to the conclusion that most of the unsoundly discarded litter must accumulate on land and/or along the waterways.

The third study describes and evaluates the experimental approach of assessing floating macrolitter drift in the German Bight using uniquely identifiable wooden drifters that members of the public should report once found - a core component of the research project. Details are provided on the manufacturing process, the selection of release locations, field logistics, and the report information provided via the project website. Between October 2016 and July 2019, >27,000 of 63,400 deployed drifters were registered at least once, resulting in a data set of ~33,000 validated reports from thousands of locations in seven countries bordering the North Sea. While report rates varied seasonally and between release sites, >60 % of the records were registered within the first month of deployment, almost 90 % after four. Many reports included positive appraisals of the project. In a 24/7 flotation experiment that was conducted over the course of a year, drifters increased 1.9- to 2.6-fold in mass but remained afloat while their density was similar to conventional plastics after 2-3 months. Drifter findings made >1 year after the deployment confirmed both floatability and durability of material and branding.

In the fourth study, drifter dispersal and accumulation were assessed, based on the validated report data set. Two thirds of the drifters released on the Lower Saxony coast and into the Ems, Weser, and Elbe were first reported <25 km away, demonstrating that macrolitter from coastal and riverine sources appears to mainly pollute adjacent shorelines. In several cases, coastal and riverine drifters crossed distances of several hundred kilometres, comparable to those deployed at sea. Scandinavian and British coasts were occasionally reached within a few days or weeks. Geostatistically significant annual and seasonal clustering occurred at 41 sites, 28 being located in Lower Saxony, some of which were release locations. These findings, limitations to the methodological approach, and points of consideration are discussed.

As public awareness of litter pollution grows, global alliances are formed between scientists, industrial corporations, and various stakeholders to address this environmental threat, and legislation on product regulation and waste management advances, long-term litter monitoring and predictive models will likely increase in importance, particularly in evaluating the success of new policies and public efforts. Currently, there still appear to be many unknown or unassessed variables influencing litter quantities and composition in various environmental compartments. This results in high levels of uncertainty and will restrict the identification of actual trends and change. Future studies should therefore consider expanding litter surveys geographically while factoring a range of potential small- and large-scale influences into the assessment. This will further improve our understanding of litter dynamics which will in turn help tailor the management tools needed to effectively combat litter pollution.

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Anthropogene Makromüllverschmutzung in der südlichen Nordsee - Quellen, Ausbreitung und Ablagerung entlang von Flussläufen und Küstenabschnitten

Die ersten wissenschaftlichen Nachweise von Plastikmüll in der marinen Umwelt reichen bis in die 1960er und 70er Jahre zurück. Doch es dauerte noch bis in die frühen 2000er Jahre, ehe verstärkt zum Thema Meeresmüll, insbesondere Plastik, geforscht wurde. Im Laufe der letzten 20 Jahre ist das Wissen über die Ausmaße und Folgen dieses modernen Umweltproblems gewachsen: Plastik wurde in bislang allen bekannten Meeres- und Süßwasserhabitaten gefunden, von den Polen bis in die Tropen; insbesondere sammelt sich treibender Meeresmüll in den großen Ozeanwirbeln an. Die Stabilität und Widerstandskraft von Kunststoffen wiederum resultiert in einer Fragmentation von Makro-, zu Mikro-, zu Nanoplastik - einem Prozess, dessen Dauer auf mehrere Jahre und Jahrzehnte, wenn nicht sogar Jahrhunderte geschätzt wird. Indes werden hunderte Arten, inklusive des Menschen, nachweislich durch die Interaktion mit und den Konsum von Plastik aller Größenordnungen beeinträchtigt. Angesichts intensiver Forschungsarbeiten, optimierter Messmethoden und Technologien sowie einem steten Zugewinn an Informationen eröffnen sich fortwährend neue Forschungsfelder und -fragen.

Die Umweltverschmutzung mit anthropogenem Unrat ist in der Nordsee seit den 1970er Jahren bekannt. Mehrere Umweltschutzorganisationen haben es sich daher schon seit Ende der 80er Jahre zur Aufgabe gemacht, innerhalb ihrer Schutzgebiete vor allem auch Strandmüll zu dokumentieren. Zudem wurde Müll europaweit von der Europäischen Union als einer der Hauptstressoren für die Meere anerkannt, die systematisch quantifiziert, evaluiert, adressiert und reduziert werden müssen. Dennoch ist die regionsspezifische, wissenschaftliche Literatur zu dieser Thematik noch nicht umfassend.

Daher ist es seit 2016 das Vorhaben des interdisziplinären Forschungsprojekts „Makroplastik in der südlichen Nordsee - Quellen, Verbreitungspfade und Vermeidungsstrategien" der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, das Verständnis der Eintragspunkte, Driftwege und Akkumulationsgebiete treibenden Makromülls in der Deutschen Bucht sowie in den großen niedersächsischen Zuflüssen mittels numerischer Modellierung, Felddaten und Experimenten zu verbessern. Durch die Identifikation relevanter Interessensgruppen und Analysen sozialer Handlungsmuster hinsichtlich Abfall und Vermüllung sollten zudem gesellschaftliche Hintergründe beleuchtet werden. Ziel ist es, Partnerorganisationen und die Öffentlichkeit zu informieren und gemeinsam Vermeidungsstrategien zu entwickeln.

Zielsetzung dieser Dissertationsarbeit innerhalb des Projekts war die quantitative und qualitative Analyse anthropogenen Mülls entlang der deutschen Nordseeküste sowie in Ems, Weser und Elbe. Zudem sollte die Rolle dieser Flüsse als Eintragspfade von Abfällen evaluiert werden. Der experimentelle Ansatz, individuell gekennzeichnete Holzdrifter (und Treibbojen) auszusetzen, sollte zusätzliche Details über die Quellen, Verbreitung und Ansammlung treibenden Makromülls liefern, die aus Müllerfassungen im Feld nicht hervorgehen, und dadurch ebenfalls die im Projekt weiterentwickelten Driftmodelle validieren.

Um vergangene und derzeitige Entwicklungen im Verschmutzungsgrad der deutschen Nordseeküste zu identifizieren, wurden im Zuge der ersten Studie Daten von Müllkartierungen explorativ analysiert, die 29 Standorte und einen Zeitraum von 25 Jahren (1991-2016) umfassten. Es wurde gezeigt, dass die lokale Müllabundanz im Laufe der Zeit stark variierte. Nur wenige Strecken wiesen eine signifikante Zu- oder Abnahme der mittleren Müllmenge pro Jahr auf (z.B. Mellum respektive Hörnum auf Sylt). Schleswig-holsteinische Küstenabschnitte aggregierten im Schnitt weniger Müll als niedersächsische. Standortspezifische Müllmengen waren grundsätzlich höher im Bereich der küstenparallelen Hauptströmung, an Flussmündungen und in der Nähe von Küstenschutzwerken. Ein quantitativer Zusammenhang materiell, morphologisch oder dichtespezifisch ähnlicher Müllsorten war nur gelegentlich zu sehen. Der Einfluss von Wind, Gezeiten und Standortexposition auf die Zusammensetzung des Strandmülls erschien minimal. Trotz einer rigorosen Datenaufbereitung im Vorfeld der Analysen haben verbleibende Datenlücken und Unstimmigkeiten vermutlich das volle Potenzial dieses Langzeitdatensatzes eingeschränkt. Der menschliche Fehler sollte daher in laufenden und zukünftigen Müllerfassungen wie auch bei der Datenpflege proaktiv minimiert werden.

Die zweite Studie umfasste eine Untersuchung von Makromüll in den Übergangsgewässern der Ems, Weser und Elbe. Müllerfassungen wurden in vier Flussbereichen durchgeführt: entlang der Ufer, an der Wasseroberfläche, in der Wassersäule und am Flussbett. Die Klassifizierung des gesammelten Unrats folgte der standardisierten Müllkategorisierung nach OSPAR. Wie bereits in den Daten der Strandmüllkartierungen ersichtlich, variierte Flussmüll ebenfalls räumlich wie zeitlich und zeigte ausgeprägte Unterschiede in Menge und Zusammensetzung zwischen den Bereichen. Die höchste Müllbelastung wurde in der Elbe festgestellt, die niedrigste in der Ems. Das Müllaufkommen an Flussstränden war das höchste und diverseste, während Vegetation und Hafenstrukturen signifikant weniger Müll ansammelten; die geringste Müllbelastung hatten Steinufer. Die an der Flussmündung über die Oberfläche und Wassersäule eingeleiteten Müllmengen wurden auf Basis zweier Verfahren zu jährlichen Gesamtemissionen extrapoliert, basierend auf dem Mittelwert und Median aller im Rahmen der Hamenbefischung gewogener Müll- bzw. Plastikteile aus der Wassersäule. Diese Schätzungen reichen von 0.2-2.81 y^-1 eingetragenen Makromülls inkl. 0.1-1.61 y^-1 Plastik aus der Ems und 0.2-12.0 t y^-1 Abfällen inkl. 0.2-6.3 t y^-1 Plastik, die über die Weser in die Nordsee gelangen, bis zu 2.4-S01 t y^-1 anthropogenen Unrats inkl. 2.2-4511 y^-1 Makroplastik, die über die Elbe in die Deutsche Bucht eingeleitet werden. Emissionswerte aus vergangenen Studien, die auf Modellberechnungen basieren, liegen deutlich über den Werten für Ems und Weser und deutlich unterhalb derer für die Elbe. Mögliche Gründe für diese Diskrepanzen werden diskutiert. Insgesamt haben selbst die höchsten Schätzwerte einen Anteil von <1 % an der bemessenen Gesamtmenge des im Einzugsgebiet anfallenden, unsachgemäß entsorgten Plastikmülls. Folglich müsste sich der Großteil dessen an Land und/oder entlang der Wasserwege ansammeln.

Die dritte Studie beschreibt und evaluiert eine Schlüsselkomponente des Forschungsprojekts: den experimentellen Ansatz, treibenden Makromüll innerhalb der Deutschen Bucht mit individuell gekennzeichneten Holzdriftern zu simulieren und dadurch Rückschlüsse auf dessen Verteilung zu ziehen. Bürger, die jene Drifter finden, sollen sie an das Projekt melden. Sowohl der Fertigungsprozess und die Auswahl der Standorte, an denen die Drifter ausgesetzt wurden, als auch die Feldlogistik sowie die Fundinformationen, die über das Meldeportal eingehen, werden im Detail beschrieben. Zwischen Oktober 2016 und Juli 2019 wurden >27.000 von insgesamt 63.400 ausgesetzten Driftern mindestens einmal registriert, was einen Datensatz von -33.000 validierten Drifterfunden aus sieben Nordsee-Anrainerstaaten generierte. Während die Fund- und Melderate saisonal sowie zwischen den einzelnen Auswurfepunkten variierte, wurde die Mehrheit der Einträge innerhalb eines Monats nach dem Aussetzen vorgenommen. Zusammen mit den Meldungen erreichte das Projekt regelmäßig Zuspruch vonseiten der Finder. Des Weiteren wurde durch ein einjähriges Laborexperiment, in dem Drifter dauerhaft in künstlichem Meerwasser trieben, gezeigt, dass ihre jeweilige Masse um das l ,9- bis 2,6-fache zunahm, aber keiner der Drifter sank, und ihre Dichte denen konventioneller Kunststoffe nach etwa 2-3 Monaten ähnelte. Drifterfunde, die über ein Jahr nach dem Aussetzen gemeldet wurden, bestätigen sowohl die Schwimmfähigkeit als auch die Beständigkeit des Materials und der eingebrannten Texte.