Advancing evolutionary ecotoxicology: single to complex contaminant exposure in Chironomus riparius

Abstract

In the Anthropocene, human activities such as pollution, habitat loss, and climate change have profoundly altered ecosystems, acting as strong selective forces on exposed organisms. Traditional ecotoxicology has mainly focused on short-term toxic effects, neglecting the long-term evolutionary consequences of chronic exposure to anthropogenic stressors. This dissertation establishes evolutionary ecotoxicology as a practical science integrating evolutionary biology, population genetics, and toxicology. Using the model species Chironomus riparius, experiments were conducted with single contaminants (Benzo[a]pyrene) and complex sediment mixtures from urban runoff. By combining mutation accumulation lines with whole-genome sequencing, both Benzo[a]pyrene and urban sediments were shown to significantly increase mutation rates and impair key life-cycle traits such as fertility, growth, and population rate. Long-term multigenerational experiments further revealed rapid polygenic adaptation to sediment exposure, accompanied by fitness trade-offs and allele frequency shifts in stress-response genes. These findings demonstrate that pollutant exposure actively drives evolutionary processes, reshaping genetic diversity and long-term ecological resilience. They highlight the need to integrate evolutionary dynamics into environmental risk assessment frameworks to realistically evaluate ecological risks across generations.

Im Anthropozän haben menschliche Aktivitäten wie Umweltverschmutzung, Habitatverlust und Klimawandel Ökosysteme nachhaltig verändert und wirken als starke Selektionskräfte auf exponierte Organismen. Die traditionelle Ökotoxikologie berücksichtigt meist nur kurzfristige toxische Effekte, nicht jedoch die langfristigen evolutionären Konsequenzen chronischer Schadstoffexposition. Die vorliegende Dissertation verankert daher die evolutionäre Ökotoxikologie als praxisorientierte Wissenschaft, die Evolutionsbiologie, Populationsgenetik und Toxikologie integriert. Anhand der Modellart Chironomus riparius wurden Experimente mit Einzelkontaminanten (Benzo[a]pyren) und komplexen Sedimentgemischen aus urbanem Oberflächenabfluss durchgeführt. Mittels Mutationsakkumulationslinien und Ganzgenomsequenzierung konnte gezeigt werden, dass sowohl Benzo[a]pyren als auch städtische Sedimente die Mutationsrate signifikant erhöhen und zentrale Lebenszyklusparameter wie Fruchtbarkeit, Wachstum und Populationsrate beeinträchtigen. Langzeitexperimente über mehrere Generationen belegten zudem schnelle, polygenetische Anpassungen an Sedimentexpositionen, begleitet von Fitness-Trade-offs und Allelfrequenzverschiebungen in Stressantwortgenen. Diese Ergebnisse belegen, dass Schadstoffexposition evolutionäre Prozesse aktiv antreibt und genetische Vielfalt sowie ökologische Resilienz langfristig verändert. Sie verdeutlichen die Notwendigkeit, evolutionäre Dynamiken in Umwelt-Risikoabschätzungen einzubeziehen, um ökologische Risiken realistisch und generationenübergreifend zu bewerten.