Effects of traffic-derived airborne particulate matter on social Hymenoptera

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Seidenath, Dimitri:
Effects of traffic-derived airborne particulate matter on social Hymenoptera.
Bayreuth , 2025 . - 180 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00008694

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Abstract

Biodiversity loss is threatening the functionality of ecosystems worldwide. The decline in insect biomass and diversity is of special concern as they provide many vital ecosystem services, including pollination, nutrient cycling, and pest control. The reasons for this decline are multifactorial, with the main drivers being habitat destruction, land use intensification, climate change, invasive species, and pollution. Among pollutants, research focused on the effects of pesticides and fertilisers due to their extensive application in the environment. Another group of anthropogenic pollutants is airborne particulate matter, such as diesel exhaust particles. It could be dangerous as it is ubiquitous and may contain harmful substances. While negative effects on human health have been reported, the impact on insects is still largely unknown. As airborne particulate matter is very small, it may enter an insect’s body via the tracheae or by the ingestion of contaminated food.
Social Hymenoptera, such as ants, social wasps, and social bees, are an ecologically important and widespread group of insects. They have a reproductive division of labour, breed cooperatively, and generations overlap. Encounters with an array of pollutants may happen in their typically large foraging areas from where they transport food into their colonies. Therein, pollutants might accumulate in the food storage and affect the different life stages.
In my thesis, I investigated the effects of airborne particulate matter, primarily diesel exhaust particles, on the buff-tailed bumblebee Bombus terrestris and the black garden ant Lasius niger. First, I assessed the lethal and sublethal effect of diesel exhaust particles on B. terrestris in the laboratory after oral exposure. I could show that chronic exposure to high doses leads to increased mortality, while single exposure and lower concentrations did not affect the bumblebee’s survival (Article 1). Chronic oral exposure to diesel exhaust particles caused shifts in the composition of the workers’ gut microbiome and gene expression. I found a significantly lower abundance of the common bacterium Snodgrasella, which is associated with protection against gut parasites. Exposed workers showed changes in the gene expression associated with metabolism and stress, also indicating potential health issues (Article 2). In a field experiment, I tracked the homing and foraging behaviour of bumblebees after exposure via air to evaluate the effects of diesel exhaust particles under natural conditions. While a one-time exposure did not affect the homing flight duration and subsequent foraging, it significantly delayed the take-off to start the homing flight. The delay was mainly caused by a struggle to take off vertically out of the exposure box, which may indicate underlying physiological constraints (Article 3). Colony founding is one of the most important and, at the same time, most vulnerable stages in the life cycle of social insects. I regularly exposed bumblebee colonies at the early founding stage to diesel exhaust particles. However, the development of the treated colonies did not differ from the control colonies, indicating no harmful effects (Article 4). To compare single and multiple stressor effects on the ant L. niger, we exposed wild-caught queens at the colony-founding stage to soil containing different combinations and concentrations. Diesel exhaust particles, microplastic particles and fibres, or brake abrasion did not affect any of the investigated colony founding parameters. In contrast, manure application caused prolonged egg development and a smaller number of pupae and workers. This highlights the potential harm of manure application to soil-dwelling insects (Article 5).
When trying to generalize the results from my thesis, I need to be aware of some limitations that I had to accept. In my thesis, choosing field-realistic doses was one of the biggest challenges for me as there is a lack of reliable data on environmental concentrations. Additionally, I mostly studied single stressor effects, even though insects encounter various other stressors, such as parasites or limited food availability, in the wild. The slight changes caused in my studies might indicate problems to the organisms if encountering multiple stressors. Insects may be able to compensate for the impacts of one stressor but will eventually be overstrained by multiple stressors. It also must be considered that B. terrestris and L. niger are very abundant species, especially in urban areas. Thus, they could be more tolerant towards anthropogenic pollution or have already adapted to higher levels of air pollution than other species.
Nevertheless, the novel approaches and results from my thesis lay an important foundation for future research on the effects of airborne particulate matter on insects. My thesis adds to the understanding of the role these pollutants play in the global insect decline. I am looking forward to future studies that build on this work to investigate these pollutants in multiple stressor setups and look at the effects on other, less common species.

Abstract in weiterer Sprache

Der Biodiversitätsverlust bedroht die Funktionalität von Ökosystemen weltweit. Der Rückgang der Insektenbiomasse und -diversität ist besonders bedenklich, da Insekten viele wichtige Ökosystemfunktion haben, unter anderem Bestäubung, die Kontrolle von Schädlingen und das Aufrechterhalten von Nährstoffkreisläufen. Die Gründe für diesen Rückgang sind multifaktoriell, wobei die Haupttreiber Lebensraumzerstörung, Landnutzungsintensivierung, Klimawandel, invasive Arten und Umweltverschmutzung sind. Bei Schadstoffen hat sich die Forschung hauptsächlich auf Pestizide und Dünger fokussiert, da diese in großen Mengen in die Umwelt ausgebracht werden. Eine weitere Schadstoffgruppe, die sehr gefährlich sein könnte, ist Feinstaub, wie beispielsweise Dieselrußpartikel, da dieser allgegenwärtig in unserer Umwelt ist und mitunter schädliche Substanzen beinhaltet. Während die schädlichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit gut belegt sind, sind die Auswirkungen auf Insekten noch größtenteils unbekannt. Aufgrund seiner kleinen Partikelgröße könnte Feinstaub über die Tracheen oder kontaminierte Nahrung in den Insektenkörper gelangen.
Eine ökologisch wichtige und weit verbreitete Insektengruppe sind soziale Hymenopteren. Zu ihnen gehören Ameisen und viele Wespen- und Bienenarten. Sie zeichnen sich durch reproduktive Arbeitsteilung, gemeinsame Brutpflege und überlappende Generationen aus. Sie können einer Vielzahl von Schadstoffen begegnen, da sie normalerweise sehr große Gebiete zur Nahrungssuche haben, von denen sie Futter in ihre Kolonie bringen und dort lagern. Dort könnten alle Lebensstadien der Insekten von den Schadstoffen betroffen sein.
In meiner Dissertation untersuchte ich die Effekte von verkehrsbedingtem Feinstaub, insbesondere Dieselrußpartikeln, auf die Dunkle Erdhummel Bombus terrestris und die Schwarze Wegameise Lasius niger. Zunächst ermittelte ich die lethalen und sublethalen Effekte von Dieselrußpartikeln auf B. terrestris nach oraler Aufnahme. Ich konnte zeigen, dass eine chronische Aufnahme von hohen Dosen zu einer erhöhten Mortalität führt. Geringe Dosen und Einzelapplikationen hatten keinen Einfluss auf das Überleben der Hummeln (Artikel 1). Chronische Aufnahme von Dieselrußpartikel führte zu Veränderungen im Darmmikrobiom der Hummeln, insbesondere die Häufigkeit des Bakteriums Snodgrassella war deutlich verringert. Dieselbe Behandlung führte auch zu Veränderungen in der Genexpression, welche in Verbindung mit dem Metabolismus und Stress steht. Diese Erkenntnisse deuten auf gesundheitliche Probleme der Hummeln nach Partikelaufnahme hin (Artikel 2). Um Effekte unter natürlichen Bedingungen zu testen, führte ich ein Feldexperiment durch, bei dem ich den Heimflug und die Sammelflüge von Hummeln beobachtete, nachdem diese Dieselrußpartikeln über die Luft ausgesetzt waren. Die einmalige Exposition hatte keinen Einfluss auf den Heimflug und anschließende Sammelflüge. Es wurde jedoch beobachtet, dass die behandelten Hummeln deutlich länger brauchen, um aus der Expositionsbox zu fliegen. Diese Probleme beim vertikalen Flug aus der Box könnten Hinweise auf tiefergehende physiologische Einschränkungen geben (Artikel 3). Ich führte zudem Experimente während der Koloniegründung durch, da diese eine der wichtigsten und zugleich empfindlichstes Phasen im Lebenszyklus von sozialen Insekten ist. Ich behandelte Hummelkolonien in der Frühphase regelmäßig mit Dieselrußpartikeln. Die Folgeentwicklung unterschied sich jedoch nicht von den Kontrollkolonien, weshalb keine Hinweise auf schädliche Effekte gefunden wurden (Artikel 4). Um die Effekte von einzelnen und multiplen Stressoren auf die Ameise L. niger zu testen, fingen wir wilde Königinnen kurz vor der Koloniegründung und setzten diese auf Erde, welche verschieden Kombinationen und Konzentrationen von Schadstoffen beinhaltete. Dieselrußpartikel, Mikroplastikpartikel und -fasern sowie Bremsstaub hatten keinen Effekt auf die Koloniegründung. Dünger führte jedoch zu einer verlangsamten Eientwicklung sowie weniger Puppen und Arbeiterinnen. Dies unterstreicht die möglichen Folgen von Düngeranwendung auf bodenlebende Insekten (Artikel 5).
Es gibt jedoch auch Unsicherheiten und Beschränkungen zu beachten, wenn man generelle Aussagen über die Ergebnisse meiner Arbeit ziehen möchte. Es war schwierig feldrealistische Dosen zu wählen, da die Datenlage bezüglich der Stoffkonzentrationen in der Umwelt ungenau ist. Zudem habe ich hauptsächlich die Effekte von Einzelstressoren untersucht, was außer Acht lässt, dass Insekten in der Natur einer Vielzahl an Stressoren gleichzeitig ausgesetzt sind, wie beispielsweise Parasiten oder Nahrungsknappheit. Die kleinen Effekte, die ich in meinen Studien beobachtete, könnten darauf hinweisen, dass die Insekten in der Lage sind, einen Stressor weitestgehend zu kompensieren, dann jedoch mit mehreren Stressoren überfordert sind. Außerdem muss beachtet werden, dass B. terrestris und L. niger sehr häufige Arten sind, insbesondere in urbanen Gebieten. Es könnte sein, dass sie toleranter gegenüber anthropogenen Schadstoffen sind oder sich bereits an höhere Luftverschmutzung angepasst haben.
Nichtsdestotrotz legen die neuen Ansätze und Ergebnisse meiner Arbeit eine wichtige Grundlage bei der Erforschung der Effekte von verkehrsbedingtem Feinstaub auf Insekten. Meine Arbeit verbessert das Verständnis darüber, welche Rolle diese Schadstoffe beim globalen Insektenrückgang spielen. Ich freue mich auf zukünftige Studien welche aufbauend auf meiner Arbeit diese Schadstoffe mit zusätzlichen Stressoren kombinieren und an anderen, weniger häufigen Insekten testen.