New approaches in habitat modelling of invasive mosquitoes for assessing the risk of pathogen transmissions and applications to Aedes japonicus japonicus and the West Nile virus in Germany

Abstract

The international goods trade and passenger transport has caused a progressively severe problem with exotic mosquitoes reaching Europe and becoming invasive in many areas. These exotic mosquitoes may have the ability to transmit pathogens for a number of diseases affecting humans and other mammals, for which efficient vectors do not yet exist in the invaded area. Moreover, they can introduce the pathogens and trigger epidemics and epizootics that way. Climate change contributes to the fact that species adapted to tropical, subtropical and Mediterranean climates can increasingly establish themselves in Central Europe, while also dramatically increasing the risk of arbovirus-related disease outbreaks. The increased risk of infection is related in part to the virus incubation period, which is exponentially negatively correlated with the ambient temperature.

Due to the increased threat posed by the exotic mosquitoes, it is of utmost importance to map their expansion and to investigate their habitat preferences, dispersal behavior, population trends and vector potential. For this purpose, the monitoring project “CuliMo” and the research project “CuliFo” were founded, involving researchers from several scientific institutions in Germany. As a result of monitoring work and the citizen-based science project “Mückenatlas”, a large amount of mosquito species data are now available in a database. My goal was to develop modelling methods that make optimal use of the species occurrence data from this joint project database, as well as biological and ecological knowledge about the invasive species, in order to predict their current and future potential distribution in Germany.

The models were set up for the Asian bush mosquito (Aedes japonicus japonicus), a species that was first detected in Germany in 2008, and has since spread rapidly in many parts of the country from the multiple locations where it was introduced. Aedes j. japonicus is a potential vector species for a wide range of pathogens harmful to humans and animals. Some laboratory experiments have demonstrated high transmission efficiency for West Nile virus (WNV), which has been detected in mosquito populations in Germany since 2018, and has resulted in incidences of disease in birds, horses and humans. This dissertation describes a stepwise process of modelling the current and future ecological niche of the Asian bush mosquito in Germany as well as the generation of a flight model based on the created detailed habitat map, which is coupled to a WNV transmission model.

Durch den internationalen Waren- und Personenverkehr haben wir ein zunehmendes Problem mit exotischen Stechmücken, die nach Europa und damit auch nach Deutschland gelangen und in vielen Gebieten invasiv werden. Die exotischen Stechmücken können die Fähigkeit zur Übertragung von Erregern für eine Reihe von Krankheiten für Menschen und andere Säugetiere mitbringen, für die es im Invasionsgebiet noch keine effizienten Überträger gibt. Außerdem können sie die Pathogene einschleppen und somit Epidemien und Epizootien auslösen. Der Klimawandel trägt dazu bei, dass sich zum einen zunehmend Arten in Mitteleuropa etablieren können, die an tropische, subtropische und mediterrane Klimata angepasst sind, und zum anderen, dass das Risiko für durch Arboviren verursachte Krankheitsausbrüche dramatisch ansteigt. Letzteres hängt unter anderem damit zusammen, dass Virusinkubationszeiten temperaturabhängig sind.

Aufgrund des zunehmenden Gefährdungspotenzials durch die exotischen Stechmücken ist es von größter Wichtigkeit, diese zu kartieren und ihre Lebensraumpräferenzen, ihr Ausbreitungsverhalten, ihre Populationsentwicklungen und ihr Vektorpotenzial zu untersuchen. Hierfür wurden das Monitoringprojekt “CuliMo” sowie das Forschungsprojekt “CuliFo” gegründet, bei denen Wissenschaftler mehrerer wissenschaftlicher Einrichtungen in Deutschland mitwirken. Durch Monitoring-Arbeiten und das Citizen-Science-Projekt „Mückenatlas“ stehen zahlreiche Vorkommensdaten von Stechmückenarten in einer Datenbank bereit. Mein Ziel war die Entwicklung von Modellierungsmethoden, welche die Daten zu Artenvorkommen aus der gemeinsamen Projektdatenbank sowie biologisches und ökologisches Wissen über die invasiven Arten optimal nutzen, um ihr aktuelles und zukünftiges Ausbreitungspotenzial in Deutschland vorherzusagen.

Die Modelle wurden aufgebaut für die japanische Buschmücke (Aedes japonicus japonicus), die 2008 erstmals in Deutschland nachgewiesen wurde und sich seitdem rasant in vielen Teilen des Landes, ausgehend von mehreren Stellen an denen sie eingeschleppt wurde, ausgebreitet hat. Aedes j. japonicus ist eine mögliche Überträgerart für zahlreiche human- und tierpathogene Erreger. Unter anderem haben einige Laborversuche eine hohe Übertragungseffizienz für das West-Nil-Virus (WNV) gezeigt, welches seit 2018 auch in Deutschland in Stechmückenpopulationen nachgewiesen wurde und zu Krankheitsfällen bei Vögeln, Pferden und Menschen führte. Diese Dissertationsarbeit beschreibt die schrittweise Modellierung der aktuellen und zukünftigen ökologischen Nische der Asiatischen Buschmücke in Deutschland, sowie die Generierung eines Bewegungsmodells auf der Grundlage der erstellten, detaillierten Habitatkarte, welches an ein WNV-Übertragungsmodell gekoppelt wird.