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Linking individual-based models and dynamic energy budget theory : lessons for ecology and ecotoxicology

Individuenbasierte Modelle mit dynamischen Energiehaushalten bereichern die Ökologie und Ökotoxikologie

  • In the context of ecological risk assessment of chemicals, individual-based population models hold great potential to increase the ecological realism of current regulatory risk assessment procedures. However, developing and parameterizing such models is time-consuming and often ad hoc. Using standardized, tested submodels of individual organisms would make individual-based modelling more efficient and coherent. In this thesis, I explored whether Dynamic Energy Budget (DEB) theory is suitable for being used as a standard submodel in individual-based models, both for ecological risk assessment and theoretical population ecology. First, I developed a generic implementation of DEB theory in an individual-based modeling (IBM) context: DEB-IBM. Using the DEB-IBM framework I tested the ability of the DEB theory to predict population-level dynamics from the properties of individuals. We used Daphnia magna as a model species, where data at the individual level was available to parameterize the model, and population-level predictions wereIn the context of ecological risk assessment of chemicals, individual-based population models hold great potential to increase the ecological realism of current regulatory risk assessment procedures. However, developing and parameterizing such models is time-consuming and often ad hoc. Using standardized, tested submodels of individual organisms would make individual-based modelling more efficient and coherent. In this thesis, I explored whether Dynamic Energy Budget (DEB) theory is suitable for being used as a standard submodel in individual-based models, both for ecological risk assessment and theoretical population ecology. First, I developed a generic implementation of DEB theory in an individual-based modeling (IBM) context: DEB-IBM. Using the DEB-IBM framework I tested the ability of the DEB theory to predict population-level dynamics from the properties of individuals. We used Daphnia magna as a model species, where data at the individual level was available to parameterize the model, and population-level predictions were compared against independent data from controlled population experiments. We found that DEB theory successfully predicted population growth rates and peak densities of experimental Daphnia populations in multiple experimental settings, but failed to capture the decline phase, when the available food per Daphnia was low. Further assumptions on food-dependent mortality of juveniles were needed to capture the population dynamics after the initial population peak. The resulting model then predicted, without further calibration, characteristic switches between small- and large-amplitude cycles, which have been observed for Daphnia. We conclude that cross-level tests help detecting gaps in current individual-level theories and ultimately will lead to theory development and the establishment of a generic basis for individual-based models and ecology. In addition to theoretical explorations, we tested the potential of DEB theory combined with IBMs to extrapolate effects of chemical stress from the individual to population level. For this we used information at the individual level on the effect of 3,4-dichloroanailine on Daphnia. The individual data suggested direct effects on reproduction but no significant effects on growth. Assuming such direct effects on reproduction, the model was able to accurately predict the population response to increasing concentrations of 3,4-dichloroaniline. We conclude that DEB theory combined with IBMs holds great potential for standardized ecological risk assessment based on ecological models.show moreshow less
  • Für die ökologische Risikobewertung von Chemikalien sind individuenbasierte Populationsmodelle ein vielversprechendes Werkzeug um heutige Bewertungen ökologisch realistischer zu gestalten. Allerdings ist die Entwicklung und Parametrisierung derartiger Modelle zeitaufwendig und oft wenig systematisch. Standardisierte, geprüfte Untermodelle, die Einzelorganismen beschreiben, würden die individuenbasierte Modellierung effizienter und kohärenter machen. In meiner Dissertation habe ich daher untersucht, inwieweit sich die Dynamic Energy Budget-Theorie (DEB) als Standardmodell innerhalb individuenbasierter Populationsmodelle eignet, und zwar sowohl für die ökologische Risikobewertung als auch für die theoretische Populationsökologie. Zunächst habe ich eine generische Implementierung der DEB-Theorie im Rahmen individuenbasierter Modellen (IBM) erstellt: DEB-IBM. Dieses Werkzeug nutzend habe ich dann untersucht, ob es mit Hilfe der DEB-Theorie gelingt, ausgehend von den Eigenschaften und Aktivitäten einzelner Individuen, PopulationsdynamikFür die ökologische Risikobewertung von Chemikalien sind individuenbasierte Populationsmodelle ein vielversprechendes Werkzeug um heutige Bewertungen ökologisch realistischer zu gestalten. Allerdings ist die Entwicklung und Parametrisierung derartiger Modelle zeitaufwendig und oft wenig systematisch. Standardisierte, geprüfte Untermodelle, die Einzelorganismen beschreiben, würden die individuenbasierte Modellierung effizienter und kohärenter machen. In meiner Dissertation habe ich daher untersucht, inwieweit sich die Dynamic Energy Budget-Theorie (DEB) als Standardmodell innerhalb individuenbasierter Populationsmodelle eignet, und zwar sowohl für die ökologische Risikobewertung als auch für die theoretische Populationsökologie. Zunächst habe ich eine generische Implementierung der DEB-Theorie im Rahmen individuenbasierter Modellen (IBM) erstellt: DEB-IBM. Dieses Werkzeug nutzend habe ich dann untersucht, ob es mit Hilfe der DEB-Theorie gelingt, ausgehend von den Eigenschaften und Aktivitäten einzelner Individuen, Populationsdynamik vorherzusagen. Wir nutzten dabei Daphnia magna als Modellart, für die Daten auf der Individuenebene verfügbar waren, um das Modell zu parametrisieren, sowie Populationsdaten, mit denen Modellvorhersagen verglichen werden konnten. DEB-Theorie war in der Lage, beobachtete Populationswachstumsraten sowie die maximalen Abundanzen korrekt vorherzusagen, und zwar für verschiedene Umweltbedingungen. Für Phasen des Rückgangs der Population allerdings, wenn die für die Daphnien verfügbare Nahrungsmenge gering war, kam es zu Abweichungen. Es waren deshalb zusätzliche Annahmen über nahrungsabhängige Sterblichkeit von juvenilen Daphnien erforderlich, um die gesamte Populationsdynamik korrekt vorherzusagen. Das resultierende Modell konnte dann, ohne weitere Kalibrierungen, den für Daphnien charakteristischen Wechsel zwischen Populationszyklen mit großen und kleinen Amplituden richtig vorhersagen. Wir folgern daraus, daß Ebenen übergreifende Tests dabei helfen, Lücken in aktuellen Theorien über Einzelorganismen aufzudecken Dies trägt zur Theorieentwicklung bei und liefert Grundlagen für individuenbasierte Modellierung und Ökologie. Über diese Grundlagenfragen hinaus haben wir überprüft, ob DEB-Theorie in Kombination mit IBMs es ermöglicht, den Effekt von chemischem Streß auf Individuen auf die Populationsebene zu extrapolieren. Wir nutzten Daten über die Auswirkungen von 3,4 Dichloroanalin auf einzelne Daphnien, die zeigten daß im Wesentlichen die Reproduktion, nicht aber das Wachstum beeinträchtigt ist. Mit entsprechenden Annahmen konnte unser Modell den Effekt auf Populationsebene, für den unabhängige Daten vorlagen, korrekt vorhersagen. DEB-Theorie in Kombination mit individuenbasierter Modellierung birgt somit großes Potential für einen standardisierten modellbasierten Ansatz in der ökologischen Risikobewertung von Chemikalien.show moreshow less

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Metadaten
Author:Benjamin Martin
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-67001
Advisor:Volker Grimm
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2013/06/18
Release Date:2013/08/23
Tag:Populationsdynamik; Ökologie; Ökotoxikologie
Ecology; Ecotoxicology; population dynamics
RVK - Regensburg Classification:WI 2500
RVK - Regensburg Classification:WI 1500
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Extern / Extern
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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