Daniel Schmitz

• Riparian areas are an important transition zone in freshwater systems, connecting and regulating both aquatic and terrestrial systems. They are characterized by a high diversity and are important for conservation. However, riparian areas are frequently under stress from human activities. Two of these stressors are agricultural activity and introduction of invasive plant species. One example of the impact of agriculture is pollution with heavy metals such as copper. Copper is commonly used as a fungicide in agriculture and can be introduced into riparian areas via flooding events via streams in areas previously unaffected by pollution. There, copper is toxic to animals, plants and microorganisms at high concentrations, damaging DNA, enzymes, cell membranes and chloroplasts. This leads to a reduction in growth and reproduction of the affected organisms, potentially disrupting the ecosystems. Invasive alien plants are another major cause of biodiversity loss in animals, plants and microorganisms. This can negatively affect entire ecosystems above as well as belowground, leading to alterations of resources and ecosystem functions. Especially soil fungi are important for ecosystem functions. For example by forming symbiotic interactions with plants, which can be disrupted by plant invasion and copper pollution. Two common invasive plant species in riparian areas are Fallopia japonica and Impatiens glandulifera. They frequently invade stands of the native Urtica dioica. The aim of this project was to investigate the impact of these two plant invaders, especially of F. japonica, on native soil communities further modified by copper pollution. This was done in two parts: a field study, investigating the impact of the invasive plants on soil properties, invertebrates, fungi and activity and a mesocosm experiment under the influence of copper pollution, comparing the impact of copper on plants, soil invertebrates, microorganisms and activity depending on the presence of a native or invasive plant species. Under field conditions, plant invasion mainly reduced the diversity of fungi directly associated with the plants but not the biomass of fungi. Direct impacts on soil invertebrates were also observed. In the mesocosms, microbial biomass was reduced under the invasive plant and no impact on invertebrates was observed. Similarly, the soil activity was not affected in the field but was strongly reduced by the presence of F. japonica in the mesocosms. These results align with the enemy release hypothesis, indicating that these invasive species, especially F. japonica, may be less associated with fungal parasites in the invasive range, allowing them to perform better than native species. These findings also indicate that these invaders have various and contrasting impacts on belowground systems, making their effects highly context-dependent and site-specific. Copper pollution inhibited growth in both F. japonica and U. dioica. Urtica dioica seemed to be more sensitive to copper pollution compared to the invasive plant. In the soil, copper pollution further amplified the reduction of soil activity by the invasive plant and had variable effects on invertebrates and microbial biomass. This indicates that F. japonica may gain an advantage against the commonly occurring U. dioica, especially in polluted areas. The negative impact of copper pollution on soil functions could therefore be amplified by facilitating invasion by F. japonica, which also negatively impacts soil functions. Therefore, disturbances by agricultural activity, one major source of copper pollution, could have an even stronger impact across much wider distances and in previously undisturbed areas.
• Ufergebiete sind eine wichtige Übergangszone in Süßwassersystemen und verbinden und regulieren sowohl aquatische als auch terrestrische Lebensräume. Sie zeichnen sich durch eine hohe Artenvielfalt aus und sind wichtig für den Naturschutz. Allerdings sind Ufergebiete auch häufig durch menschliche Aktivitäten belastet. Zwei dieser Belastungen sind Landwirtschaftliche Aktivitäten und die Einführung von invasiven Pflanzen. Ein beispiel für den Einfluss von Landwirtschaft ist die Verschmutzung durch Schwermetalle wie zum beispiel Kupfer. Kupfer ist ein häufig angewandtes Fungizid in der Landwirtschaft. Durch Überflutungen kann es über Flüsse und Bäche in Ufergebite eingebracht werden, die ursrpünglich nicht durch Umweltverschmutzung beeinflusst waren. Dort kann Kupfer in hohen Konzentrationen schädlich für Tiere, Pflanzen und Mikroorgansimen wirken. Es beschädigt DNA, Enzyme, Zellmembranen und Chloroplasten. Dies führt zu einer Reduktion im Waschstum und der Fortpflanzung der beeinflussten Organismen, was potentiell das ganze Ökosystem beeinflussen kann. Invasive Pflanzen sind eine andere wichtige Ursache für den Verlust von Biodiversität von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen. Dieser Verlust kann gesamte überirdische und unterirdische Ökosysteme negativ beeinflussen, was zu Veränderungen in der Nährstoffverfügbarkeit und Ökosystemfunktionen führen kann. Insbesondere Pilze im Boden sind wichtig für Ökosystemfunktionen, zum Beispiel indem sie symbiotische Interaktionen mit Pflanzen eingehen. Diese können durch invasive Pflanzen und Kupfer gestört werden. Zwei weit verbreitete invasive Pflanzen in Ufergebiten sind Fallopia japonica und Impatiens glandulifera. Diese Arten dringen häufig in Bestände der einheimischen Urtica dioica ein. Das Ziel dieses Projekts ist es den Einfluss der zwei invasiven Pflanzen (insbesondere den von F. Japonica) auf heimische Bodengemeinschaften zu untersuchen und wie dieser Einfluss weiter durch Kupferverschmutzung beeinflusst wird. Dies wurde in zwei Schritten gemacht. In einer Feldstudie wurde der Einfluss der invasiven Pflanzen auf Bodeneigenschaften, Invertebraten, Pilze und Aktivität untersucht. In einem Mesokosmos Experiment unter dem Einfluss von Kupferbelastung wurde anschließend der Effekt von Kupfer auf Pflanzen, Bodeninvertebraten, Mikroorganismen und Aktivität abhängig von der Präsenz einer invasiven oder heimischen Pflanze untersucht. Im Freiland reduzierten invasive Pflanzen hauptsächlich die Diversität von Pilzen die direkt mit der Pflanze assoziiert sind und Invertebraten im Boden aber nicht die Pilzbiomasse. In den Mesokosmen war die mirkobielle Biomasse durch F. japonica reduziert aber es wurde kein Einfluss auf Invertebraten festgestellt. Ähnlicherweise war die Bodenaktivität im Freiland nicht beeinflusst aber in den Mesokosmen durch F. japonica stark reduziert. Diese Ergebnisse stimmen mit der enemy release Hypothese überein, die besagt, dass invasive Arten wie F. japonica im invasiven Verbreitungsgebiet weniger von parasitischen Pilzen belastet sind und daher besser als heimische Arten wachsen können. Außerdem scheinen diese invasiven Arten verschiedene und auch gegensätzliche Einflüsse auf unterirdische Gemeinschaften zu haben, was deren Effekte abhängig vom Kontext und Standort macht. Kupferverschmutzung reduziert das Wachstum von F. japonica und U. dioica wobei letztere stärker von Kupfer beeinflusst zu werden scheint als die invasive Art. Im Boden verstärkt Kupfer die Reduktion der Bodenaktivität durch F. japonica und hat verschiedene Einflüsse auf Invertebraten und mikrobielle Biomasse. Dies weist darauf hin, dass F. japonica einen Vorteil gegenüber U. dioica in verschmutzen Gebieten gewinnen kann. Der negative Einfluss von Kupfer auf die Bodenaktivität könnte demnach weiter verstärkt werden, indem es die Invasion durch F. japonica erleichtert. Der negative Einfluss von Landwirtschaft (eine der wichtigsten Quellen von Kupfer) könnte daher einen stärkeren und weitreichenderen Einfluss auf Uferbereiche auch in bisher unbelasteten Gebieten haben.