Effektmodellierung

Analysieren - Verstehen - Prognostizieren

Entwicklung und Anwendung ökologischer Modelle für die Risikobewertung

Mechanistische Effektmodellierung

Die ökologische numerische Modellierung wird für die Umweltrisikobewertung von Pflanzenschutzmitteln immer wichtiger. Modelle können z.B. zur Unterstützung der Auswertung experimenteller Studien sowie zur Extrapolation von experimentellen Ergebnissen auf komplexe Feldsituationen eingesetzt werden.

gaiac verfügt über langjährige Erfahrung in der dynamischen Modellierung und bietet die Anwendung, Anpassung und Entwicklung von Simulationsmodellen für die Umweltrisikobewertung und das Risikomanagement an.

Unsere Toolbox

Effektmodelle:

  • TKTD-basiertes Modell-Framework GUTS (letale Effekte)
  • DEB-TKTD Ansatz (sub-letale Effekte)

Individuenbasierte Populationsmodelle (IBMs):

  • Daphnia magna
  • Chaoborus crystallinus
  • Asellus aquaticus
  • Mayfly population model (Cloeon dipterum)
  • Regenwurm-2D-Migrationsmodell im Boden für: Lumbricus terrestris, Aporrectodea caliginosa, Eisenia fetida 

Ökosystemmodelle:

  • StoLaM (Stoichiometric Lake Model): ein komplexes, dynamisches Gewässergütemodell für Seen und Flachgewässer inklusive Module für Zooplankton und Phytoplankton
  • Phytoplanktonmodell (nach EFSA) als Baustein im Seenmodell StoLaM, einsetzbar für die Modellierung von Algen vom Biotest im Labor bis zum Ökosystem
  • DaLaM (individuenbasiertes Daphnia-Populationsmodell unter Freilandbedingungen als gekoppeltes Hybrid-Modell von GUTS, IDamP, und StoLaM)
  • STREAMcom (DEB-IBM basiertes Community-Modell für Fließgewässer, beinhaltet Organismen wie Eintagsfliegen, Amphipoden, Asseln, Schnecken, u.a.)
  • GraS-Modell (räumlich-explizites, prozessbasiertes Sukzessionsmodell für Pflanzengesellschaften)
mehr zur Landschaftsmodellierung
Schematische Darstellung der bei gaiac verwendeten Modelle in der Effektmodellierung

Unser Modellierungskonzept

Bei der Modellierung ist uns wichtig, dass…

  • Datenerhebung und Modellierung Hand in Hand gehen
  • Modelle zielgerichtet entwickelt werden
  • Modelle an unabhängigen Daten getestet werden

Unsere mechanistischen Populations- und Ökosystemmodelle...

  • kombinieren Kompartimentenmodelle, TK-TD Effektmodelle und individuenbasierte Modelle, um Effekte auf Populationsebene unter Freilandbedingungen aus Labortoxizitätstests vorherzusagen
  • verknüpfen zeitvariable Exposition und Effekte
  • werden anhand von Labortests, Mesokosmosstudien im Freiland oder Feldstudien getestet
  • ermöglichen eine quantitative Bewertung direkter, indirekter und verzögerter Effekte sowie ihrer ökologischen Wiedererholung
  • ermöglichen die Simulation variabler, artspezifischer ökologischer Szenarien (von Labor- bis Freilandbedingungen), einschließlich dynamischer Ressourcen, Klima- oder Wetterbedingungen und räumlicher Dimensionen
  • erlauben die kombinierte Simulation von natürlichen und anthropogenen Stressoren

Unser mehrstufiger Modellierungsansatz

Effektmodelle

Zur Modellierung von letalen Effekten auf Individuen verwenden wir toxikokinetisch-toxikodynamische (TK-TD) Modelle und insbesondere den GUTS-Ansatz (General Unified Threshold model of Survival), der mehrere TK-TD-Modelle in einem Konzept integriert und die Simulation der Mortalität unter vordefinierten Annahmen ermöglicht.

Darüber hinaus bieten Dynamic Energy Budget (DEB)-Modelle eine konzeptionell stimmige Methode zur Interpretation subletaler Effekte auf wichtige individuelle Prozesse wie Wachstum und Reproduktion (DEB-TKTD-Ansatz).

Populationsmodelle

Wir simulieren Populationen unter Feld- und Laborbedingungen. Dazu verwenden wir individuen-basierte Populationsmodelle (IBMs), die eine direkte Übersetzung chemischer Effekte auf organismischer Ebene in Reaktionen auf höheren Ebenen biologischer Komplexität (Populationen und Lebensgemeinschaften) ermöglichen.

Ökosystem-Modelle

Wir modellieren Lebensgemeinschaften in stehenden Gewässern für Phytoplankton, Zooplankton, aquatische Insekten und andere Invertebraten. Sowohl einfache als auch komplexe Ökosystemmodelle und hydrodynamische Modelle können kombiniert werden, um eine geeignete Umgebung zu schaffen, die die wichtigsten biologischen und physikalisch-chemischen Randbedingungen enthält (StoLaM-Modell).

Wir entwickeln auch räumlich explizite und individuenbasierte Populationsmodelle in Fließgewässern, deren Lebensgemeinschaften relevante Stellvertreterarten aus taxonomischen Gruppen wie Eintagsfliegen, Amphipoden, Asseln, Schnecken und Fischen enthalten (STREAMcom-Modell).

Das von gaiac entwickelte prozessbasierte GraS-Modell ermöglicht Analysen und Prognosen der Vegetationsdynamik in realen Landschaften in Abhängigkeit von unterschiedlichen Stressoren sowie verschiedenen Managementmaßnahmen.

mehr zur Landschaftsmodellierung

Erster Einsatz eines gaiac Modells in der Risikobewertung von Pestiziden

2002

Anzahl bisheriger Modellierungsstudien für die Risikobewertung

33

Beiträge zur Add-my-Pet Datenbank (Datenbank für artspezifische DEB Parameter)

20

Anzahl eigener individuenbasierter Populationsmodelle

6

Anzahl eigener Ökosystemmodelle

3

Dr. Tido Strauss

Telefon: +49 241 – 8027601
E-Mail: strauss@gaiac- eco.de

Kim Rakel

Telefon: +49 241 – 8027640
E-Mail: rakel@gaiac-eco.de

Broschüren

Flyer
Mechanistic effect modelling

Gute Laborpraxis (GLP)

Taxonomische Expertise

Referenzen

Projekte

2019-2020
Preparation and organization of an international workshop in January 2020: FORESEE - (In)Field Organism Risk modelling by coupling Soil Exposure and Effects | ECPA, the European Crop Protection Association
2015-2018
Modelling approaches for a scenario based assessment of chemically induced impacts on aquatic macroinvertebrate communities | CEFIC, The European Chemical Industry Council
2015-2018
SIGN - CLIENT China Verbundprojekt SIGN: Sino-German water supply network - Clean water from the source to the tap, Teilprojekt J | BMBF, FKZ 02WCL1336J
2012-2013
MeTox - Integration and calibration of a biodynamic toxicity module for metals in the ecological modell AQUATOX - Teil Durchführung von Biotests mit aquatischen Nichtstandard-Invertebraten | Öffentliches Forschungszentrum (CRP) Henri Tudor

Veröffentlichungen & Präsentationen

2019
Gergs, A., Rakel, K., Liesy, D., Zenker, A., Classen, S. (2019): Mechanistic effect modeling approach for the extrapolation of species sensitivity. Environmental science & technology, 53(16), 9818-9825.
Publikation
2019
Hammers-Wirtz, M., Classen, S., Strauss, T. (2019): Non-standard biotests – Intelligent testing to combine different needs and requirements for experimental and modelling approaches. Poster presentation, 29th SETAC- Europe Annual Meeting, 26.05.-30.05.2019, Helsinki, Finland.
2019
Rakel, K., Strauss, T., Gergs, A. (2019): The STREAMcom model - Linking time variable exposure to effects on individuals, populations and community in realistic landscapes. Poster presentation, 29th SETAC- Europe Annual Meeting, 26.05.-30.05.2019, Helsinki, Finland.
2019
Strauss, T., Klein, J., Rakel, K. (2019): Measure or extrapolate? Extended parameterisation of TKTD models for population modeling under outdoor conditions. Platform presentation, 29th SETAC- Europe Annual Meeting, 26.05.-30.05.2019, Helsinki, Finland.
2018
Ladermann, K., Classen, S., Strauss, T., Hammers-Wirtz, M., Gergs, A . (2018): Impact of temperature on species sensitivity distribution in aquatic invertebrates. Poster presentation, 28th SETAC-Europe Annual Meeting 13-17 May 2018. Rome, Italy.
Poster
2018
Rakel, K., Liesy, D., Classen, S., Strauss, T., Zenker, A., Gergs, A. (2018): Bridging the gap across species by the means of TK-TD modelling. Poster presentation at SETAC Europe 13th Special Science Symposium, Brussels, Belgium, October 2018.
Poster
2018
Strauss, T. (2018): Integration of temperature-dependent TKTD kinetics in individual-based population modelling – A case study with Chaoborus crystallinus. Platform presentation, 28th SETAC-Europe Annual Meeting 13-17 May 2018. Rome, Italy.
Präsentation
2018
Strauss, T., Gergs, A., Ladermann, K., Hammers-Wirtz, M. (2018): Defining ecological lake scenarios for population modelling as part of the Ecological Risk Assessment of chemicals. Poster presentation, 28th SETAC-Europe Annual Meeting 13-17 May 2018. Rome, Italy.
2017
Gergs, A., Thorbek, P., Finnegan, M., Strauss, T. (2017): Individual-based analysis of mayfly meta-population dynamics. 27th SETAC- Europe Annual Meeting 07-11 May 2017, Brussels, Belgium.
Poster
2017
Strauss, T., Gabsi, F., Hammers-Wirtz, M., Thorbek, P., Preuss, T.G. (2017): The power of hybrid modelling: An example from aquatic ecosystems. Ecological Modelling 364:77-88. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2017.09.019.
Publikation
2017
Strauss, T., Preuss, T.G. (2017): Modelling laboratory standard biotests with Daphnia magna. Poster presentation, 27th SETAC- Europe Annual Meeting 07-11 May 2017, Brussels, Belgium.
Poster
2016
Dohmen, P., Preuss, T.G., Hamer, M., Galic, N., Strauss, T., Van den Brink, P. J., De Laender, F., and Bopp, S. (2016). Population‐level effects and recovery of aquatic invertebrates after multiple applications of an insecticide. Integrated environmental assessment and management 12:67-81.
Publikation
2016
Strauss, T., Bruns, E., Witt, J., Preuss, T.G. (2016): Modelling the impact of herbicides on phytoplankton for relevant ecological scenarios of varying complexity. Poster presentation, 26th SETAC- Europe Annual Meeting 22-26 May 2016, Nantes, France.
2016
Strauss, T., Kulkarni, D., Preuss, T.G., Hammers-Wirtz, M. (2016): The secret lives of cannibals: Modelling density-dependent processes that regulate population dynamics in Chaoborus crystallinus. Ecological Modelling 321:84-97.
Publikation
2013
Strauss, T. (2013): Incorporating ecological scenarios into population modelling for use in aquatic risk assessment - A simulation study for the emerging insect Chaoborus. Poster presentation, 23th SETAC- Europe Annual Meeting 12-16 May 2013, Glasgow, Scotland.
Poster
2012
Kulkarni, D., Strauss, T., Hommen, U., Ratte, H.T., Preuss, T.G. (2012): Using a modelling approach to compare sensitivities to Triphenyltin at the individual and population levels for three planktonic organisms. Platform presentation, 22th SETAC- Europe Annual Meeting 20-24 May 2012, Berlin, Germany.
2012
Strauss, T., Preuss, T.G. (2012): Aquatic ecosystem model framework for use in refined environmental risk assessment. Poster presentation 6th SETAC World Congress, Berlin, Germany.
Poster
2011
Strauss, T., Bruns, E., Goerlitz G, Preuss, T.G. (2011): Modelling toxic effects on Chaoborus populations under field conditions - an individual-based simulation study. Poster presentation, 21th SETAC- Europe Annual Meeting 15-19 May 2011, Milano, Italy.
Poster
2010
Preuss, T., Bruns, E., Thorbek, P., Hammers-Wirtz, M., Schäfer, D., Goerlitz, G., Ratte, H.T., Strauss, T. (2010): Can population modelling answer urgent unresolved questions for ecological risk assessment - lessons learnt from Daphnia. Poster presentation, SETAC Europe 20th Annual Meeting, 23-27 May 2010, Seville, Spain.
2010
Strauss, T. (2010): Density-dependent compensation of toxic effects in Chaoborus crystallinus populations - an individual-based simulation study. Poster presentation, SETAC Europe 20th Annual Meeting, 23-27 May 2010, Seville, Spain.
2009
Strauss, T. (2009): Dynamische Simulation der Planktonentwicklung und interner Stoffflüsse in einem eutrophen Flachsee. Shaker, Aachen, ISBN 978-3-8322-8501-2.
Dissertation
2009
Strauss, T., Ratte, H.T., Hammers-Wirtz, M., Thorbek, P., Preuss, T.G. (2009): Modeling toxic effects on Daphnia magna populations under natural field conditions. Poster presentation, 19th SETAC- Europe Annual Meeting 01-04 June 2009, Göteborg, Sweden.
Poster
2007
Strauss, T., Sevim, S., Ratte, H.T.: Individual-based modelling of the recovery of Chaoborus crystallinus in aquatic mesocosm pond studies. Poster presentation, SETAC Europe 17th Annual Meeting, 20.-24. Mai 2007, Porto, Portugal.
Poster
2003
Strauss, T., Ratte, H.T. (2003): Individuenbasierte Modellierung in der Ökotoxikologie am Beispiel von Chaoborus crystallinus. Vortrag, SETAC GLB-Jahrestagung, 21.-23. September 2003, Universität Heidelberg, Germany.
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