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Häufigkeit von (sub)tropischen Arten in thermisch-belasteten Gewässern in Deutschland und Konsequenzen für die lokale Biodiversität

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Abb. 1: Identifizierte Standorte in Deutschland (D), die derzeit verwilderte Populationen von gebietsfremden, (sub)tropischen Fischen (A-C,E-F) beherbergen. Es konnten gegenwärtig vier thermischbelastete Gewässer mit rezenten Populationen tropischer Fischarten identifiziert werden (rot). Ferner sind ausgestorbene Populationen (✝) und solche mit derzeit unbekanntem Status (?) aufgezeigt. Daten aus Lukas et al. (in Begutachtung). Beispiel Gillbach (Erft/Rhein) Gillbach, Erft und Rhein sind stark durch die lokale Braunkohleindustrie geprägt. Der Gillbach, welcher komplett vom Kühlwasser des Kraftwerks Niederaußem gespeist wird, weist selbst im Winter tropische Temperaturen um 20 °C auf und bietet somit gute Lebensbedingungen für Fisch-und Pflanzenarten aus (sub)tropischen Gefilden (s. Tab. 1). Das Vorkommen der meisten Neobiota lässt sich auf Ausbzw. Einsetzen von Aquarianern zurückführen, denen die Tiere fürs Aquarium zu groß, zu aggressiv oder zu vermehrungsfreudig geworden sind (z. B. Marienbuntbarsch (Abb. 1A) und der Zebrabuntbarsch (Abb.1C)). Gillbach-Guppys (Abb.1E: Weibchen; 1F: Männchen) zeigen ein für den Aquarienhandel typisches Farbspektrum, was Indiz für ein kontinuierliches Einsetzen neuer Fische ist. Durch natürliche Selektion werden diese extremen Phänotypen sonst nach wenigen Generationen wieder eliminiert (Kempkes et al. 2009, Jourdan et al. 2014). Doch auch Nachkömmlinge von Tilapia (Abb.1B) aus einer stillgelegten Aquakulturanlage wurden im Gillbach nachgewiesen (Lukas et al. 2017). Eine Ausbreitung über die künstlich beheizten Gewässerabschnitte der Erft hinaus und in den Rhein gilt jedoch als unwahrscheinlich, da dessen Wintertemperaturen auch trotz thermaler Belastung stark abfallen können.
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Horst Korn, Harald Dünnfelder und
Rainer Schliep (Hrsg.)
Treffpunkt Biologische Vielfalt XVI
Interdisziplinärer Forschungsaustausch
im Rahmen des Übereinkommens über
die biologische Vielfalt
BfN-Skripten 487
2018
Beiträge zu den Querschnittsthemen der CBD – Invasive Arten
158
3.6 Invasive Arten
Häufigkeit von (sub)tropischen Arten in thermisch-belasteten Gewässern in
Deutschland und Konsequenzen für die lokale Biodiversität
JULIANE LUKAS, DAVID BIERBACH
Einleitung
Viele Arten, die als stark invasiv eingeschätzt werden, haben ihr natürliches Verbreitungsgebiet in den
Tropen oder Subtropen. Unter gegenwärtigen Szenarien zur globalen Erwärmung werden Lebens-
räume, die für wärmeliebende Arten einst zu kalt waren, thermisch erschlossen (Sala et al. 2000, Ra-
hel 2002, Walther et al. 2009, Britton et al. 2010). Einige Ökosysteme erleben bereits jetzt klimawan-
delartige Bedingungen und sind somit repräsentativ für die zukünftige Beeinträchtigung anderer Öko-
systeme (O’Gorman et al. 2014, Mulhollem et al. 2016). Besonders eindrucksvoll lassen sich die Fol-
gen des Klimawandels allerdings an thermisch belasteten Gewässern beobachten. Hier ist die durch-
schnittliche Wassertemperatur ganzjährig durch das Einleiten von Warmwasser aus anthropogenen
oder geothermalen Quellen erhöht. Im Folgenden werden wir aufzeigen, wie häufig thermisch belaste-
te Gewässer in Deutschland sind und anhand konkreter Beispiele mögliche Konsequenzen für die
lokale Biodiversität diskutieren.
Häufigkeit von thermisch-belasteten Gewässern mit etablierten invasiven Arten in Deutschland
Thermische Gewässerbelastung kann durch das Einleiten von Abwasser (z. B. Kondensator- bzw.
Prozesskühlung, Sümpfung im Bergbau) oder das Vorkommen natürlicher Thermalquellen entstehen.
Drei größere Regionen in Deutschland bergen geothermales Potential die Norddeutsche Tiefebene,
das süddeutsche Molassebecken und der Oberrheingraben doch auch thermische Kraftwerke sind
trotz des Gesetzes zum Ausbau erneuerbarer Energien (EEG) weiterhin reichlich vorhanden (z. B.
Ruhrgebiet, Saarland oder Harz). Zur Kühlung entnehmen thermische Kraftwerke Wasser aus nahe
gelegenen Gewässern, um es in einem Durchlaufsystem wieder mit erhöhter Temperatur (oft 23-28 °C
nach Einleitung; LAWA 2013) an die Umgebung abzugeben. Trotz des gemäßigten Klimas in
Deutschland bieten thermisch-belastete Gewässer ganzjährig geeignete Bedingungen für
(sub)tropische Neobiota.
In der jüngsten EU-Verordnung zur ‚Prävention und Kontrolle der Einbringung und Verbreitung invasi-
ver gebietsfremder Arten’ (OJEU 2014) werden unter anderem Aktivitäten wie Fischbesatz, Aquakul-
tur, Schifffahrt, Gewässerkorrektionen oder Freisetzung als Einwanderungsvektoren für aquatische
Arten identifiziert. Während Fischbesatz hauptsächlich zur Verbreitung von gebietsfremden Arten aus
ähnlichen Klimaten beiträgt, ist in den gemäßigten Breiten das Aussetzen von Haustieren als wichtigs-
ter Invasionsweg für tropische Arten anzusehen (Gozlan et al. 2010, Nehring et al. 2010, Chucholl
2013, Maceda-Veiga et al. 2013). Aggressives Verhalten, häufige Fortpflanzung, Größe und Krankheit
erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass Tiere freigesetzt werden (Padilla und Williams 2004). Unter
ihnen befinden sich häufig Fische wie der Guppy (Poecilia reticulata) oder verschiedene Buntbarsch-
arten (z. B. Amatitlania nigrofasciata, Oreochromis sp., Pelmatolapia mariae), die mittlerweile global
verbreitet sind (Welcomme 1988, Canonico et al. 2005, Deacon et al. 2011). Guppies beispielsweise
haben ein besonders hohes Fortpflanzungspotential mit früher Geschlechtsreife sowie hoher Wurfzahl
und -folge (Magurran 2005). Zudem können Guppy-Weibchen Spermien über mehrere Wochen spei-
chern, was zur Folge hat, dass einzelne Individuen eine ganze Population gründen können (Deacon et
al. 2011). Guppies wurden zeitweise gezielt zur Eindämmung von Vektorpopulationen infektiöser Ma-
lariamücken angesiedelt, aber auch entwichene oder freigesetzte Tiere aus Zuchtfarmen (v. a. Süd-
ostasien, Florida, Israel) spielten eine große Rolle in der Verbreitung der Art. In den nachfolgend vor-
Beiträge zu den Querschnittsthemen der CBD – Invasive Arten
159
gestellten Standorten waren es jedoch tatsächlich Aquarianer, die durch das Aussetzen ihrer Zierfi-
sche in mitteleuropäische Gewässer zu einer Besiedlung mit tropischen Arten beigetragen haben.
Im Jahr 2016 wurden in einem wissenschaftlichen Projekt mit Bürgerbeteiligung (auch: Citizen Sci-
ence) Daten zum Vorkommen freilebender Populationen des Guppys und anderer Zierfische in
Deutschland gesammelt (Lukas et al., in Begutachtung). Bisher war nur eine Guppy-Population in
Deutschland beschrieben, die sich im thermisch-belasteten Gillbach-Erft-Flusssystem in der Nähe von
Köln etabliert hat. Im Laufe des Projekts konnten zwei weitere Systeme mit etablierten (sub)tropischen
Fischen identifiziert und zusätzliche Daten über bereits ausgestorbene Populationen zusammengetra-
gen werden (Abb. 1D).
Abb. 1: Identifizierte Standorte in Deutschland (D), die derzeit verwilderte Populationen von gebietsfrem-
den, (sub)tropischen Fischen (A-C,E-F) beherbergen. Es konnten gegenwärtig vier thermisch-
belastete Gewässer mit rezenten Populationen tropischer Fischarten identifiziert werden (rot).
Ferner sind ausgestorbene Populationen (
) und solche mit derzeit unbekanntem Status (?) auf-
gezeigt. Daten aus Lukas et al. (in Begutachtung).
Beispiel Gillbach (Erft/Rhein)
Gillbach, Erft und Rhein sind stark durch die lokale Braunkohleindustrie geprägt. Der Gillbach, welcher
komplett vom Kühlwasser des Kraftwerks Niederaußem gespeist wird, weist selbst im Winter tropische
Temperaturen um 20 °C auf und bietet somit gute Lebensbedingungen für Fisch- und Pflanzenarten
aus (sub)tropischen Gefilden (s. Tab. 1). Das Vorkommen der meisten Neobiota lässt sich auf Aus-
bzw. Einsetzen von Aquarianern zurückführen, denen die Tiere fürs Aquarium zu groß, zu aggressiv
oder zu vermehrungsfreudig geworden sind (z. B. Marienbuntbarsch (Abb. 1A) und der Zebrabunt-
barsch (Abb.1C)). Gillbach-Guppys (Abb.1E: Weibchen; 1F: Männchen) zeigen ein für den Aquarien-
handel typisches Farbspektrum, was Indiz für ein kontinuierliches Einsetzen neuer Fische ist. Durch
natürliche Selektion werden diese extremen Phänotypen sonst nach wenigen Generationen wieder
eliminiert (Kempkes et al. 2009, Jourdan et al. 2014). Doch auch Nachkömmlinge von Tilapia (Abb.1B)
aus einer stillgelegten Aquakulturanlage wurden im Gillbach nachgewiesen (Lukas et al. 2017). Eine
Ausbreitung über die künstlich beheizten Gewässerabschnitte der Erft hinaus und in den Rhein gilt
jedoch als unwahrscheinlich, da dessen Wintertemperaturen auch trotz thermaler Belastung stark
abfallen können.
Beiträge zu den Querschnittsthemen der CBD – Invasive Arten
160
Tab 1: Im Gillbach bei Köln nachgewiesene, gebietsfremde Arte. Manche Arten konnten in subsequen-
ten Beprobungen nicht mehr nachgewiesen werden (
).
Art Wiss. Bezeichnung Vorkommen Erstnachweis Gillbach
Zebrabuntbarsch
(Abb. 1C)
Amatitlania nigrofasciata
(Günther, 1867)
Mittelamerika 1998 (Höfer und Staas
1998)
Antennenwels Ancistrus sp. Südamerika 2013 (Jourdan et al.
2014)
Goldfisch Carassius auratus gibelio Aquarienhandel 1998 (Höfer und Staas
1998)
Koi Cyprinus carpio
(Linnaeus, 1758)
Aquarienhandel 2013 (Jourdan et al.
2014)
Blau-Rote-
Ringelhand-Garnele
Macrobrachium dayanum
(Henderson, 1893)
Asien 2012 (Klotz et al. 2013)
Aurora-Buntbarsch
()
Maylandia aurora
(Burgess, 1976)
Afrika 1998 (Höfer und Staas
1998)
Rückenstrichgarnele Neocaridina davidi
(Bouvier, 1904)
Asien 2011 (Klotz et al. 2013)
Tilapia
(Abb. 1B)
Oreochromis sp. Afrika 1998 (Höfer und Staas
1998)
Marienbuntbarsch
(Abb. 1A)
Pelmatolapia mariae
(Boulenger, 1899)
Afrika 2016 (Lukas et al. 2017)
Guppy
(Abb. 1E-F)
Poecilia reticulata
(Peters, 1859)
Südamerika 1970s (Kempkes, Bude
und Rose 2009)
Black Molly Poecilia sphenops
(Valenciennes, 1846)
Mittel-
/Südamerika
2016 (eigene Beobach-
tung)
Blauband-Bärbling
()
Pseudorasbora parva
(Temminck und Schlegel,
1846)
Asien 1998 (Höfer und Staas
1998)
Gewöhnliche Wasser-
schraube
Vallisneria spiralis
(Linnaeus, 1758)
Asien 2003 (Hussner und
Lösch 2005)
Weitere Vorkommen
Seit 2016 sind zwei rezente Guppy-Populationen im Saarland und in Baden-Württemberg bekannt
(Abb. 1D), der Zeitpunkt der Etablierung ist jedoch ungewiss (Lukas et al., in Begutachtung). Bei dem
ersten Gewässer handelt es sich um einen durch gehobenes Grubenwasser erhitzten Wassergarten
auf dem ehemaligen Gelände des Steinkohle-Bergwerks Reden. Neben Guppys konnten hier auch die
Beiträge zu den Querschnittsthemen der CBD – Invasive Arten
161
bei Aquarianern beliebten Black Mollys (Poecilia sphenops) beobachtet werden. Eine Population im
baden-württembergischen Bad Saulgau besiedelt einen aus Thermalwasser gespeisten Bach auf dem
Gebiet der dortigen Rehabilitationsklinik. Dieser Standort birgt das Potential für ein langfristiges Über-
leben der Guppys, falls die Thermalquelle nicht versiegt. Industriell erwärmte Gewässer hingegen sind
stets abhängig von der anthropogenen Warmwassereinleitung. Dies konnte in jüngerer Vergangenheit
mehrfach beobachtet werden, als rmequellen im Zuge der Stilllegung vieler DDR-Kraftwerke oder
durch Maßnahmen der jüngsten Energiewende versiegten und zum anschließenden Aussterben der
Populationen führten (z. B. Zerkwitzer Kahnfahrt bei Lübbenau oder Wölfersheimer See, s. Abb.1D).
Konsequenzen
Viele der eingeschleppten Arten sind für ihre Robustheit und Anpassungsfähigkeit bekannt. Eine hohe
Anpassungsfähigkeit erhöht die Wahrscheinlichkeit des Überlebens auch außerhalb der thermisch
belasteten Gewässer und ist ein wichtiger Treiber für den Invasionserfolg vieler Arten (Heger und
Trepl 2003). Gillbach-Guppys beispielsweise zeigen schon eine niedrigere kritische Mindesttempera-
tur als ihre wilden Pendants aus Venezuela (Jourdan et al. 2014). Obwohl es momentan unwahr-
scheinlich ist, dass sich (sub)tropische Fischarten in normal temperierte deutsche Gewässer ausbrei-
ten, ist dies für einige ursprünglich aus Zentralasien stammende Garnelenarten dagegen sehr wohl
denkbar (Klotz et al. 2013).
Doch auch die lokal begrenzten tropischen Fischpopulationen bergen hohe Risiken für die heimische
Fauna: sie sind Überträger nicht-heimischer Krankheitserreger und Parasiten. Emde et al. (2016) zeig-
ten, dass Buntbarsche aus dem Gillbach sowohl als Zwischen- als auch als Endwirt für lokale (Kratz-
wurm Acanthocephalus anguillae) und drei eingeschleppte Fischparasiten (Schwimmblasenwurm
Anguillicolloides crassus, Bandwurm Bothriocephalus acheilognathi und Fräskopfwurm Camallanus
cotti) fungieren.
Je länger künstlich aufgeheizte Gewässer wie der Gillbach bestehen, desto mehr nicht-heimische
Arten können sich dauerhaft ansiedeln. Mit jeder neuen Art steigt das Gefährdungspotential für die
ansässige Tier- und Pflanzenwelt. Dieses Phänomen ist bereits von thermisch belasteten Gewässern
in der Süd-Toskana (Piazzini et al. 2010) oder dem Warmbach in Österreich (Petutschnig et al. 2008)
bekannt. Letzterer wurde Anfang 2000 regelmäßigen Beprobungen unterzogen, wobei stetig neu etab-
lierte, gebietsfremde Arten meist beliebte Zierfische und -krebse protokolliert wurden (2001-2007:
zwölf neue Neobiota). Dies zeigt, dass in der Bevölkerung das Problembewusstsein fehlt. Das Aus-
setzen gebietsfremder Tiere kann unvorhersehbare Konsequenzen haben und ist laut Tierschutzge-
setz (§3 Abs.3, 4 TierSchG) verboten.
Zusammenfassung und Ausblick
In gemäßigten Breiten führt das Einleiten von thermisch belasteten Abwässern in Flüsse und Bäche
bzw. das Vorkommen von Thermalquellen dazu, dass sich nicht-heimische, (sub)tropische Neobiota
trotz der oftmals harschen Wintertemperaturen dauerhaft ansiedeln können. Bisher sind in Deutsch-
land vier Standorte bekannt, in denen sich (sub)tropische aquatische Arten etabliert haben und fort-
pflanzen.
Nach unserer Einschätzung sind solche thermischen Refugien höchstwahrscheinlich nur lokal be-
grenzte Phänomene, da sie auf die stetige Warmwassereinleitung angewiesen sind. Dennoch fordern
wir eine kontinuierliche Überwachung solcher Systeme, da Neobiota die lokale Biodiversität durch das
Einschleppen und die Verbreitung neuer Pathogene und Parasiten gefährden. Zudem konnten in der
seit 40 Jahren etablierten Guppy-Population des Gillbachs bereits Anpassungen an niedrigere Tempe-
raturen nachgewiesen werden. Biotope wie der Gillbach eignen sich zur detaillierten Untersuchung
von Invasionsprozessen und zur Verbesserung unseres Verständnisses der möglichen Auswirkungen
auf einheimische Arten und Ökosysteme.
Beiträge zu den Querschnittsthemen der CBD – Invasive Arten
162
Wir fordern außerdem eine thematische Sensibilisierung der Öffentlichkeit.
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Kontakt
Juliane Lukas
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei
Humboldt-Universität zu Berlin
Lebenswissenschaftliche Fakultät
Holsteinische Straße 32
12161 Berlin
E-Mail: contact@julianelukas.com
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Article
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Biological invasions continue to grow at a rapid rate, fuelling the need for effective and feasible biomonitoring approaches. Citizen science is an increasingly popular way of undertaking long-term and/ or large-scale monitoring while simultaneously engaging people with science and scientific issues. In temperate regions, industrially created thermal pollution of freshwater systems provides suitable conditions for (sub)tropical neobiota to survive harsh winter months and establish populations. Here, we present a citizen science project designed to collect data on feral populations of guppies (Poecilia reticulata) and other ornamental fishes in Germany. So far, only one established population has been described for Germany, residing in the thermally altered Gillbach-Erft river system near Cologne. Yet, most thermal power plants use water as a cooling medium, thus increasing the probability that more thermally influenced freshwater systems (TIFs) exist across Germany. With our large-scale approach, we were able to identify two additional locations with non-native (sub)tropical fish currently established and compile more data on now extinct populations of P. reticulata. Further, we present evidence that-as in the case of the Gillbach/Erft-these phenomena are most likely very localized, as they are solely dependent on the presence of thermal refugia. However, we call for continuous monitoring of these TIFs, especially in the light of disease and parasite transmission to the native fauna. Zusammenfassung: Biologische Invasionen nichteinheimischer Arten nehmen weiterhin zu und verstärken damit die Notwendigkeit für effektive und praktikable Ansätze zur Überwachung und Aufzeichnung von Invasionsereignissen und -prozessen. Wissenschaftliche Bürgerbeteiligung, besser bekannt als ‚Citizen Science', bietet die Möglichkeit, langfristige und/oder groß angelegte Monitoringstudien durchzuführen und gleichzeitig Mitbürger in wissenschaftliche Themen und Problematiken einzubeziehen. In den gemäßigten Breiten führt das Einleiten von industriell erzeugtem warmem Abwasser in Flüsse und Bäche dazu, dass sich nichtheimische (sub)tropische Neobiota trotz der oftmals harschen Wintertemperaturen dauerhaft ansiedeln können. Hier präsentieren wir ein Citizen-Science-Projekt, das dazu entwickelt wurde, Daten über das Vorkommen von wilden Populationen von Guppys (Poecilia reticulata) und anderen Zierfischen in Deutschland zu sammeln. Bisher war nur eine Guppypopulation in Deutschland beschrieben, die sich im thermisch belasteten Gillbach-Erft-Flusssystem in der Nähe von Köln etabliert hat. Allerdings nutzen viele Kraftwerke Wasser als Kühlmedium und somit ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass mehr solcher thermisch belasteten Süßwassersysteme (TIFs) innerhalb Deutschlands existieren. Im Laufe des Projekts konnten wir zwei weitere Gebiete mit etablierten (sub)tropischen Fischen identifizieren und zusätzliche Daten über bereits ausgestorbene Populationen zusammentragen. Nach unserer Einschätzung sind solche Refugien-wie im Falle des Gillbachs-höchstwahrscheinlich nur lokal begrenzte Phänomene, da sie von der stetigen Warmwassereinleitung abhängen. Dennoch fordern wir eine kontinuierliche Überwachung solcher Systeme, vor allem angesichts der Tatsache, dass die Übertragung von Erkrankungen und Parasiten auf die einheimische Fauna bereits vereinzelt nachgewiesen worden konnte.
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Thermally influenced freshwater systems provide suitable conditions for non-native species of tropical and subtropical origin to survive and form proliferating populations beyond their native ranges. In Germany, non-native convict cichlids (Amatitlania nigrofasciata) and tilapia (Oreochromis sp.) have established populations in the Gillbach, a small stream that receives warm water discharge from a local power plant. Here, we report on the discovery of spotted tilapia (Pelmatolapia mariae) in the Gillbach, the first record of a reproducing population of this species in Europe. It has been hypothesized that Oreochromis sp. in the Gillbach 2 are descendants of aquaculture escapees and our mtDNA analysis found both O. mossambicus and O. niloticus maternal lineages, which are commonly used for hybrids in aquaculture. Convict cichlids and spotted tilapia were most probably introduced into the Gillbach by aquarium hobbyists. Despite their high invasiveness worldwide, we argue that all three cichlid species are unlikely to spread and persist permanently beyond the thermally influenced range of the Gillbach river system. However, convict cichlids from the Gillbach are known to host both native and non-native fish parasites and thus, non-native cichlids may constitute threats to the native fish fauna. We therefore strongly recommend continuous monitoring of the Gillbach and similar systems.
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Numerous simulation studies have considered the effects of impending climate change on lakes. Predictive models exist for the responses of a multitude of variables to a warmer climate, and potential effects on food webs and ecosystem functions. Although these predictions are numerous, there is a need for manipulative experiments testing for the effects of warming on actual lake systems. We used power plant lakes across the central Midwestern US as a substitute for future climate change effects. These treatment lakes receive heated effluent and are typically 2–6 °C warmer than other regional lakes. We collected data from 1997 to 2010 on a number of abiotic and biotic variables from three of these treatment lakes and six control lakes that were of similar size and location but did not have an artificial thermal regime. Phosphorus and phytoplankton concentrations were similar between treatment groups, although treatment lakes had greater phosphorus and less phytoplankton in September. No differences existed in turbidity (measured as Secchi depth transparency). Zooplankton were less abundant in treatment lakes than in control lakes throughout our sampling period (May–October), with differences in cladocerans driving this disparity. There was evidence of earlier spawning of gizzard shad (Dorosoma cepedianum) due to the warmer temperature regime, but not for bluegill (Lepomis macrochirus). Average sizes of juvenile bluegill were larger in warmed systems in July and August. Juvenile largemouth bass (Micropterus salmoides) were larger in heated systems in June, but no differences existed in July or August. Growth of adult largemouth bass was greater in systems with a warmer thermal regime. Our results provide insights into patterns that can be expected in the future, and may be used to further understand the wide-reaching implications of climate change.
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There is a long history in fisheries biology of relating biogeographic distribution patterns of fish to thermal conditions. The association of distribution boundaries with thermal limits reflects the fact that temperature has a major influence on the physiology, growth, and behavior of ectothermic animals such as fish. Approaches used to relate species distributions to thermal limits can be grouped into four categories: air temperatures, surface water temperatures, groundwater temperatures, and correlates of temperature such as agricultural growing season. Air temperature limits typically focus on mean daily air temperature for the warmest month of the year and are based on the assumption that air and water temperatures are correlated. Water temperatures limits include measures of daily mean as well as daily maximum temperature, both averaged over periods of weeks to a month. Groundwater temperature limits are based on the observation that groundwater integrates annual temperature conditions and is usually within 1-2°C of the mean annual air temperature. Correlates of air or water temperature include measures of the agricultural growing season or elevation. Biogeographic limits can be used to infer thermal limits that can be used to model fish distribution changes following climate change. The assumption is that fish populations will migrate pole-ward or up in elevation to remain within suitable thermal envelopes. Several studies that have used this approach predict a substantial loss of habitat for coldwater fishes due to climate warming. When using biogeographic limits to model species responses to climate change, researchers should ensure that distribution patterns reflect thermal limits rather than other limiting factors and should recognize that changes in other factors, especially hydrological regime, also may alter fish distribution patterns in the future.
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Artificially heated water bodies represent unusual habitats in temperate regions and form a refuge for exceptional fish communities. The Gillbach, a tributary of the river Erft in Germany, receives thermally polluted cooling water from a power plant. Here, we present data on the composition of the fish community in the Gillbach and found a high abundance of invasive species from all over the world, mostly introduced by releases from home aquaria. We found a species composition that is dominated by invasive species containing the same species as 15 years ago. We focused on guppies (Poecilia reticulata) and determined population size using the mark-recapture method. Furthermore, we investigated the lower thermal tolerance limit (C Tmin) to determine if Gillbach guppies have already adapted to colder conditions compared to ornamental and Venezuelan wild type fish. We caught guppies of all sizes, and densities of 3.6 adult guppies per square meter were comparable to densities found in their natural distribution area, pointing toward a self-sustaining population in the Gillbach. The C Tmin varied between populations and was significantly lower in ornamental and Gillbach guppies compared to guppies from Venezuela. Despite differences in C Tmin and their well-known potential to adapt to new environments, guppies originally stem from the tropics, and a further spread will likely be restricted by low winter temperatures. Thus, P. reticulata in the Gillbach might not represent a threat for local fauna in Central Europe, but provide a unique semi-natural experiment for various questions related to local adaptation of invasive species, as well as ecological interactions with indigenous species.
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Understanding and predicting how global warming affects the structure and functioning of natural ecosystems is a key challenge of the 21st century. Isolated laboratory and field experiments testing global change hypotheses have been criticised for being too small-scale and overly simplistic, whereas surveys are inferential and often confound temperature with other drivers. Research that utilises natural thermal gradients offers a more promising approach and geothermal ecosystems in particular, which span a range of temperatures within a single biogeographic area, allow us to take the laboratory into nature rather than vice versa. By isolating temperature from other drivers, its ecological effects can be quantified without any loss of realism, and transient and equilibrial responses can be measured in the same system across scales that are not feasible using other empirical methods. Embedding manipulative experiments within geothermal gradients is an especially powerful approach, informing us to what extent small-scale experiments can predict the future behaviour of real ecosystems. Geothermal areas also act as sentinel systems by tracking responses of ecological networks to warming and helping to maintain ecosystem functioning in a changing landscape by providing sources of organisms that are pre-adapted to different climatic conditions. Here, we highlight the emerging use of geothermal systems in climate change research, identify novel research avenues, and assess their roles for catalysing our understanding of ecological and evolutionary responses to global warming.This article is protected by copyright. All rights reserved.
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The aquarium trade has been identified as an important vector of aquatic invasive species but this question has mostly been investigated in North America. We investigated the variation in diversity and species composition in different trade types in southwestern Europe (three major international wholesalers, different retail store types, and local internet forums), mostly in Spain and Portugal. As in previous studies, the diversity of fishes in the aquarium trade was vast, with a total of 20 orders, 79 families, and 1,133 fish species detected in the trade types analyzed. 248 species were observed in a single metropolitan area (Barcelona), with estimates of about 294 species being present. International wholesalers had higher species richness and evenness, with a single one having over 700 species. General pet stores had much lower evenness but due to high turnover had a total richness of over 200 species. Internet forums had the lowest evenness but similar richness. The different commerce types varied significantly in relative species abundance with about a dozen of popular fish species (e.g., goldfish, Siamese fighting fish, common carp, guppy, swordtails) dominating the retail stores, particularly the general pet stores. Our results imply that frequency in the trade varies strongly among species and commerce types and although general pet stores have usually low diversity, this is compensated with a higher species turnover. Many of the most popular species are well known invasive species and some of the species available are temperate species that might establish in Europe, reinforcing the need for more careful implementation of education programs, regulation and monitoring of trade, and internalization of environmental costs by the industry.
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The river Erft and its tributary Gillbach in western Germany are thermally polluted, and harbour exotic plant and animal species introduced by aquarium hobbyists. Here, we report for the first time the occurrence of two species of fresh water shrimp, Neocaridina davidi (Bouvier, 1904) and Macrobrachium dayanum (Henderson, 1893), from these heavily modified waters. We briefly discuss their taxonomy and provide characters for distinguishing the species. Due to its dependence on warm waters, it is unlikely that M. dayanum populations will persist permanently beyond the range of the thermal pollution. In contrast, N. davidi is able to tolerate much colder temperature regimes, and might disperse further into the Rhine drainage. Known parasites of N. davidi are however rather specific, and do most likely not pose a threat to native or other introduced crustacean species.