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Der Gesundheitszustand der Schlüsselarten des Bottnischen Meerbusens, Kegelrobben (Halichoerus grypus) und Ringelrobben (Pusa hispida botnica), spiegelt den Gesundheitszustand des gesamten Ökosystems wider. Daher ist es von besonderer Bedeutung anthropogene Einflüsse und deren Auswirkungen auf die Schlüsselarten zu untersuchen, denn nur so können der aktuelle Gesundheitszustand beurteilt und adäquate Managementpläne für diese Ostsee-Arten entwickelt werden. Auf Grund der Dringlichkeit stehen im Rahmen dieser Doktorarbeit die genannten Schlüsselarten im Fokus. Diese nehmen auf Grund ihrer Stellung im Nahrungsnetz und ihrer Verbreitung im Ökosystem eine besondere Stellung ein: sie stabilisieren und strukturieren das Ökosystem. Als Top Prädatoren sind sie besonders anfällig für anthropogen induzierte Veränderungen innerhalb ihres Lebensraumes. Populationsschwankungen können fatale Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem haben. Die Schwankungen im 20. Jahrhundert zeigen deutlich, dass unterschiedliche anthropogene Eingriffe, wie Jagd und Schadstoffe, großen Einfluss hatten und haben. Die vorliegende Doktorarbeit umfasst drei Studien, die sich mit dem Gesundheitszustand der Schlüsselarten im Bottnischen Meerbusen beschäftigen. Dazu gehören die Untersuchung der Knochendichte von Ringelrobben-Schädeln zwischen 1829 und 2019 und eine Untersuchung zu Leberveränderungen bei Kegelrobben zwischen 1981 und 2015 im Hinblick auf Polychlorierte Biphenyle (PCB) und Dichlordiphenyltrichloroethan (DDT) Konzentrationen. Zusätzlich wird die Anzahl der Primordialfollikel in Ovarien von Ringelrobben erstmalig untersucht. Die Ergebnisse der Studien bieten einen umfassenden Einblick in den Gesundheitsstatus beider Arten und dienen als Grundlage für die Umsetzung von Managementplänen, welche relevant für den Populationsschutz sind. Die erste Studie untersucht Ringelrobben-Schädel aus der Ostsee auf Knochendichteveränderungen (1829 – 2019). Es konnte ein direkter Zusammenhang in Bezug auf die vorhandene Schadstoffkonzentration nachgewiesen werden. Die Ergebnisse aus der Ostsee werden mit Grönländischen Individuen verglichen. Insgesamt wurden 303 Schädel untersucht und in drei Perioden eingeteilt. Die erste Periode ist die "pre-pollution" Periode und umfasst 167 Schädel (1829 bis 1957). Die darauffolgende Periode ist die "pollution" Periode (1958 bis 1989, N = 40), während die letzte Periode die "post-pollution2 Periode darstellt (1994 bis 2019, N = 96). Die Knochendichte verändert sich innerhalb der drei Perioden deutlich, sodass in den Schädeln der mittleren Periode die höchste Knochendichte gefunden werden kann. Die Schädel von Tieren aus Grönland weisen über den gesamten Untersuchungszeitraum eine stabile Knochendichte auf. Bei einem Vergleich der Populationen zeigen sich deutliche Unterschiede in der Knochendichte. Damit zeigt diese Studie die möglichen Risiken und Auswirkungen von Schadstoffkonzentrationen für Meeressäuger. In der zweiten Studie werden Leberveränderungen in 191 Kegelrobben aus der Ostsee (1981 – 2015) untersucht. Das Probenmaterial wurde auf sechs Leberläsionen hin betrachtet: (1) Portale mononukläre Zellinfiltration, (2) zufällige mononukläre Zellinfiltration, (3) Lipidgranulome, (4) hepatozelluläre Fettvakuolen, (5) hepatische Stern-Zellen und (6) milde multifokale Gallengang Hyperplasie einhergehend mit Portalfibrosen. Drei der sechs untersuchten Läsionen zeigten einen Zusammenhang mit dem Alter der Tiere. Bei hepatischen Stern-Zellen und milder multifokaler Gallengang Hyperplasie wurde eine leichte Korrelation mit PCB Konzentrationen gefunden, während kein Zusammenhang zwischen Leberläsionen und DDT Konzentrationen hergestellt werden konnte. Die Ergebnisse unterstreichen, dass das Alter ein wesentlicher Faktor für die Bildung von Leberläsionen ist. Um eine deutlichere Aussage über einen Zusammenhang von Leberläsionen und Schadstoffen treffen zu können, müssen weitere PCB und DDT Werte zur Verfügung gestellt werden. Studie drei analysiert erstmalig die Anzahl von Primordialfollikeln von 52 Ringelrobben Ovarien aus der Ostsee und Grönland. Die Populationen zeigen einen signifikanten Unterschied in der Anzahl an Primordialfollikeln. Die höchsten Anzahlen wurden in Schwedischen Individuen gefunden. Im Vergleich zu anderen Studien (bspw. Rind, Hund) werden deutlich höhere Primordialfollikelzahlen in Ringelrobben gefunden. Ein möglicher Grund dafür kann die deutlich spätere Geschlechtsreife der Tiere sein oder die genutzte Methode. Die Bestimmung der Primordialfollikelzahl ist eine gute Grundlage zur Etablierung von Schutzmaßnahmen und geeigneten Managementplänen der untersuchten Arten. In den drei Studien wird das Risiko von anthropogenen Einflüssen auf die Gesundheit der Schlüsselarten des Bottnischen Meerbusen dargestellt. Diese Studie zeigt die Schadstoffkonsequenzen für Meeressäuger auf, welche dabei helfen Umweltindikatoren zu überarbeiten und neue zu entwickeln. Da die Gesundheit von Schlüsselarten wichtig für das Ökosystem ist, gilt dies auch für das Monitoring der Schlüsselarten, um so die Balance innerhalb des Ökosystems zu erfassen und bei negativen Veränderungen adäquat handeln zu können.

AbstractMarine debris is known for its ubiquitousness and harmful effects on marine life. This study is the first analysis to provide information on the distribution of floating marine debris in German waters using aerial survey data collected between 2002 and 2016. During regular harbour porpoise monitoring flights, 191,167 km were covered and 26,512 floating debris items recorded (average encounter rate 0.1387 items/km). Debris was encountered more often in the North Sea than in the Baltic Sea (0.16 items/km; 0.08 items/km). The average encounter rate was higher in offshore waters than in coastal areas. Overlaps of marine debris distribution with 'Special Areas of Conservation' are a particular reason for concern. Moreover, the spring months (March–May) were identified to be the time of the year with the highest average encounter rates for marine debris. Fishing-related debris was shown to contribute up to 25% of the total number of all observed items. This study shows that opportunistically collected data on marine debris from aerial surveys are valuable for identifying distribution patterns of floating debris without additional survey effort and costs. These data can be used as baseline information to inform management schemes such as the Marine Strategy Framework Directive.

An unprecedented 85 harbour porpoises stranded freshly dead along approximately 100 km of Danish coastline from 7-15 April, 2005. This total is considerably above the mean weekly stranding rate for the whole of Denmark, both for any time of year, 1.23 animals/week (ranging from 0 to 20 during 2003-2008, excluding April 2005), and specifically in April, 0.65 animals/week (0 to 4, same period). Bycatch was established as the cause of death for most of the individuals through typical indications of fisheries interactions, including net markings in the skin and around the flippers, and loss of tail flukes. Local fishermen confirmed unusually large porpoise bycatch in nets set for lumpfish (Cyclopterus lumpus) and the strandings were attributed to an early lumpfish season. However, lumpfish catches for 2005 were not unusual in terms of season onset, peak or total catch, when compared to 2003-2008. Consequently, human activity was combined with environmental factors and the variation in Danish fisheries landings (determined through a principal component analysis) in a two-part statistical model to assess the correlation of these factors with both the presence of fresh strandings and the numbers of strandings on the Danish west coast. The final statistical model (which was forward selected using Akaike information criterion; AIC) indicated that naval presence is correlated with higher rates of porpoise strandings, particularly in combination with certain fisheries, although it is not correlated with the actual presence of strandings. Military vessels from various countries were confirmed in the area from the 7th April, en route to the largest naval exercise in Danish waters to date (Loyal Mariner 2005, 11-28 April). Although sonar usage cannot be confirmed, it is likely that ships were testing various equipment prior to the main exercise. Thus naval activity cannot be ruled out as a possible contributing factor.

As stated by HELCOM Expert Group on Marine Mammals (EG MAMA; portal.helcom.fi, 2021), limited information is available on the occurrence, (eco)toxicity, and potential health effects of contaminants of emerging concern (CECs) in marine mammals. CECs are introduced into the environment by various anthropogenic activities andsome of these substances may have the potential to enter marine, freshwater and/or terrestrial food webs, where they can accumulate. Currently, exposure information is often missing and there is an urgent need for sufficient occurrence and effects data to be able to assess CECs and initiate risk mitigation measures where appropriate. The objective of the project was to screen for potentially hazardous CECs in marine mammals from the Baltic Sea using state-of-the-art wide-scope target and suspect screening analytical methodologies. For this purpose, 11 pooled livers and one non-pooled muscle sample from 11marine mammals' samples (Harbour porpoise (Phocoena phocoena), Common dolphin (Delphinus delphis), Grey seal (Halichoerus grypus), Harbor seal (Phoca vitulina)) were provided by HELCOM contracting parties from Germany, Sweden, Denmark and Poland.

Airguns werden bei seismischen Erkundungen und wissenschaftlichen Untersuchungen eingesetzt und erzeugen impulshafte Schallsignale mit hoher Intensität im tieffrequenten Bereich. Abgesehen von der Möglichkeit, permanente oder temporäre Hörschädigungen zu induzieren oder Verhaltensreaktionen auszulösen, können Airgungsignale die Wahrnehmung relevanter akustischer Signale in der Umwelt maskieren. Dieser Frequenzbereich überschneidet sich mit vielen Vokalisationen von Meeressäugern, insbesondere den Gesängen und Rufen von Bartenwalen. Auf Grund der hohen Quellschallpegel besitzen Airguns das Potential Kommunikationssignale von Meeressäugern auch noch in großen Entfernungen zu maskieren. Dieses Potential zur Maskierung von Kommunikationssignalen im Südpolarmeer wird in dieser Studie mithilfe eines Modellierungsansatzes bewertet. Um die Ausbreitung von Airgunimpulsen im Südpolarmeer zu modellieren, wurde eine parabolische Gleichungsnäherung verwendet,. Die Ausbreitungsmodelle wurden anhand von Aufzeichnungen zweier seismischer Vermessungen im Südpolarmeer validiert. Die Modellvorhersagen zeigen eine große Übereinstimmung in den empfangenen Schallpegel und den Frequenzspektren mit den Messergebnissen und weichen nur um wenige Dezibel ab. Durch die von einer Punktquelle ausgehende dreidimensionale Schallsusbreitung und den resultierenden Reflektionen an der Wasseroberfläche und dem Meeresboden ergeben sich mehrere Strahlengänge. Diese Strahlengänge, die Schallquelle und Empfänger verbinden, besitzen unterschiedliche Längen, so dass Signale über die verschiedenen Wege den Empfänger nicht gleichzeitig erreichen. Die Dauer der empfangenen Signale nimmt entsprechend mit der Entfernung von der Schallquelle zu. Das Ausmaß dieser sogenannten Signalstreckung wurde vom Ausbreitungsmodell leicht unterschätzt. Für Airguns, die über dem australischen Festlandsockel eingesetzt wurden, wurde die höchste Korrelation mit dem SOFAR-Kanal (Sound Fixing and Ranging) gefunden, wenn die Wassertiefe im Bereich von 300 bis 700 Metern lag, woraus sich sehr große Ausbreitungsdistanzen ergeben. Es wurde festgestellt, dass Übertragungsverluste in der Region südlich der Polarfront maßgeblich durch die Schallstreuung an der Oberfläche, ausgelöst durch Windwellen beeinflusst wird. Die validierten Ausbreitungsmodelle ermöglichen es, die empfangenen Schallpegel der Airgun- und Vokalisierungssignale am Ohr des Tieres für jede Entfernung zur Airgun sowie zu vokalisierenden Artgenossen vorherzusagen. Ein psychophysisches Modell basierend auf einem Spektrogramm-Korrelationsempfänger wurde entwickelt, um die zeitlichen und spektralen Auflösungseigenschaften des tierischen Hörvermögens widerzuspiegeln. Das Modell sagt vorher, dass Kommunikationsreichweiten von Blau- und Finnwalen in Entfernungen zwischen 1000 und 2000 Kilometern von dem Airgunmessungen, noch erheblich beeinträchtigt sein können. Für den Einsatz von Airguns in einer Entfernung von 2000 km vom hörenden Individuum modelliert es eine Reduzierung der Detektionsreichweite für Z-Rufe von Blauwalen in der Antarktis von 40 km (natürliche Kommunikationsreichweite unter Bedingungen mit hohem Umgebungsgeräusch) auf 15 km. Der Kontext, in dem Blauwal-Z-Rufe und Finnwal-20-Hz-Rufe erzeugt werden, zeigt, dass diese Rufe wichtige Funktionen für die Paarung und möglicherweise Nahrungssuche haben und somit eine Langstreckenkommunikation erfordern. Bei Arten mit hochfrequenten oder breitbandigen Lautäußerungen wie Schwertwalen und Weddellrobben hängt das Ausmaß der Kommunikationsmaskierung davon ab, wie stark Tiere von dem tieffrequenten Anteil der Lautäußerungen abhängig sind, um biologisch relevante Informationen zu extrahieren. Diese Abhängigkeit wurde bislang jedoch noch nicht untersucht.

Der akustische Informationsaustausch mariner Säugetiere hat sich in der natürlichen Geräuschkulisse der Weltozeane entwickelt und erlaubt die Kommunikation über große Entfernungen. Hinzukommende anthropogene Schalleinträge können die natürliche Kommunikation überlagern und stören. In diesem Bericht betrachten wir die potentielle Fernwirkung seismischer Luftpulser (Airguns) auf Kommunikationsreichweiten mariner Säugetiere. Airgun-Impulse werden während der Schallausbreitung mehrfach an der Wasseroberfläche reflektiert und in Schallkanälen gebrochen. Hierdurch entstehen Halleffekte, die die Signaldauer verlängern und schlussendlich zu einem kontinuierlichen Signal führen können. Um die Ausbreitungsverluste zu berechnen und das empfangene Signal zu bestimmen, wurde die Schallausbreitung mit AcTUP (Acoustic Toolbox Userinterface & Postprocessor) für Entfernungen von 100, 500, 1000 und 2000 km von der Quelle modelliert. Die Schallausbreitung wurde für Empfänger in 10, 50 und 200 m Tiefe für flache (500 m Wassertiefe) und tiefe (4000 m Wassertiefe) Antarktische Gewässer berechnet. Die modellierten Störsignale wurden mit den Vokalisationen mariner Säugetiere überlagert (Gesang von Finnwalen (Balaenoptera physalus) und Blauwalen (Balaenoptera musculus intermedia) und Kommunikationslaute von Weddellrobben (Leptonychotes weddellii), um die Distanzen zu berechnen in denen Maskierung von Kommunikationssignalen potentiell vorkommt. Die Signale wurden mit einem mathematischen Hörmodell (leaky integrator) als Energiedetektor im Frequenzbereich der Vokalisationssignale analysiert. Es wurde dafür angenommen, dass Bartenwale Geräusche bis zu einem Pegel, der den regulären Hintergrundgeräuschen bei einem Seegang der Stärke 3-4 entspricht, wahrnehmen können. Die so analysierten Daten zeigen, dass Airgunimpulse bis zu 1.000 km von der Quelle als gepulste Signale empfangen werden und zwischen 1.000 und 2.000 km in ein kontinuierliches Geräusch mit tonalen Anteilen übergehen. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass besonders für Finn- und Blauwale auch noch in 2.000 km Entfernung zur Schallquelle ein signifikanter Verlust an Kommunikationsreichweite auftritt. Diese Einschränkung ist in erheblichem Maße vom Frequenzspektrum der betrachteten Kommunikationssignale abhängig.

Functional marine mammal acoustic communication evolved under natural ambient noise levels, which makes communication vulnerable to anthropogenic noise sources. In this report, we consider the potential long-range effects of airgun noise on marine mammal communication range. During the propagation process, airgun impulses are reflected multiple times from the sea surface, refracted in sound channels and reverberated, leading to signal stretching that may result in a continuous received sound. We modelled sound propagation using AcTUP (Acoustic Toolbox User-interface & Postprocessor) to estimate propagation loss and estimate the received seismic impulse waveform at 100, 500, 1000 and 2000 km distance from the source, and at 10, 50 and 200 m receiver depth for shallow (500 m) and deep sea (4000 m) Antarctic conditions. Modelled waveforms were overlaid with marine mammal vocalisations (song of fin whale Balaenoptera physalus, blue whale Balaenoptera musculus intermedia and Weddell seal Leptonychotes Weddelli vocalisations) to assess the distances over which communication masking could occur. Signals were analysed using a leaky integrator and peak detector model within the bandwidth of the modelled vocalisation. Hearing abilities of baleen whales were assumed to be noise limited at sea state 4. Results indicate that airgun noise is intermittent up to 1000 km from the source, changing to a continuous noise between 1000 and 2000 km. Results of masking modelling indicate that airgun sounds can lead to a significant loss in communication range for blue and fin whales at 2000 km from the source depending strongly on the frequency content of the vocalisation.

In 2008, the guideline for establishing a framework for Community action in the field of marine environment (Marine Strategy Framework Directive - MSFD, 2008/56/EG) was published. The overall objective of the guideline is to achieve and/or maintain a good status of the marine environment before the year 2020. The good environmental status has to be defined in accordance with qualitative Descriptors as listed in Annex I and specified through respective Criteria and Indicators given by the European commission. While recent projects have focussed mainly on the so-called 'state' Descriptors of the MSFD, the focus of the current project has been on 'pressure' and 'impact' Descriptors. For these, assessment systems were not yet available. Within the project, we have been identifed existing deficits and presented possible solutions, for example by developing respective assessment systems. For Descriptor 2 (non-indigenous, invasive species) an assessment system has been developed which considers the amount of foreign species within an ecosystem, the impact on native communities, and the trend indicator. The approach proposed for Descriptor 6 (seafloor integrity) is based on modelling the impact by combining pressure-specific sensitivity information for benthic habitats with data on the spatial and temporal extent of physical loss and damage. Due to large gaps in knowledge on pressures and impacts on hydrographical conditions and ecosystem components, it is currently not possible to present a detailed assessment concept for Descriptor 7 (hydrographical conditions). Instead, a first draft of an assessment concept is briefly outlined as a basic framework which should be open to changes and adaptable for future developments in research. One of the most important stressors in the marine environment is the chemical pollution which is covered by Descriptor 8 (contaminants). Initially, relevance of the contaminants, environmental quality targets, the biological effects in common, and the effects on marine mammals in particular have been examined. For Descriptor 10 (marine litter) an assessment system for litter on beaches has been developed. Concerning litter at the water surface, within the water column, and at the seafloor (particularly fisheries nets) existing data have been analysed to suggest environmental quality targets and effective monitoring strategies. In addition, the impact on marine birds has been examined when swallowing up litter. Moreover, possible approaches for an overall assessment concept for 'the good environmental status' according to the MSFD have been developed, with special regard to the results of recent MSFD projects.