Applying regional climate change projections for spatio-temporal risk analyses of vector-borne diseases

This thesis addresses the topic of climate change effects on vector-borne diseases. Disease vectors gather the pathogen from an infected host (usually mammals) and can become infectious. Then, they are capable to transmit the pathogens between hosts. Most of the vector-borne diseases are considered to be climate-sensitive. First of all, the majority of the vectors belong to ecto-thermic arthropods which cannot regulate their body temperature. In addition, pathogen development within the vector iThis thesis addresses the topic of climate change effects on vector-borne diseases. Disease vectors gather the pathogen from an infected host (usually mammals) and can become infectious. Then, they are capable to transmit the pathogens between hosts. Most of the vector-borne diseases are considered to be climate-sensitive. First of all, the majority of the vectors belong to ecto-thermic arthropods which cannot regulate their body temperature. In addition, pathogen development within the vector is dependent on temperature constraints. Data concerning expected climate change during the 21st century are provided by climate models in different spatial and temporal resolutions. Projections of future climate include emission scenarios of greenhouse gases. In this thesis the use of regional climate projections with special respect to their capacity for being implemented in spatio-temporal risk analyses of vector-borne diseases is presented. Possible applications and opportunities of regional climate projections are introduced. Here, data obtained by the regional climate models REMO and COSMO-CLM are used for risk analyses. Both models were derived by a dynamical downscaling procedure. They are nested within the well-established global model ECHAM5, in the latest versions. In the first methodological part, the transfer of already understood vector and/or pathogen temperature constraints to expected future conditions is addressed. By using this approach, the required temperatures for dengue virus amplification within the primary vector Aedes aegypti are compared with expected future European conditions. Results indicate a growing threat for Europe. A spatial range expansion of regions, which offer the window of opportunity for dengue-virus amplification, is projected. Furthermore, the inter-annual season of possible virus amplification in Europe will increase remarkable. On a further example, the threat of autochthonous transmission of visceral leishmaniasis, the most severe sandfly-borne disease is determined. Therefore, the temperature constraints of vector (genus: Phlebotomus) and pathogen (Leishmania infantum complex) are projected to future conditions on the regional example of Germany. The results for projected vector and pathogen requirements are finally overlaid with the aim to generate risk classes of potential establishment of visceral leishmaniasis. Western and southern German regions will be at risk initially. At the end of the 21st century, the establishment of this disease can no longer be excluded for large parts of Germany. In the second part, regional climate change projections are implemented within species distribution models for vector species. For this approach, statistical analyses are applied in order to determine species´ preferred bioclimatic niches. Once the specific climatic niches of species are identified, these can be transferred to future climatic conditions. Based on this approach it is indicated that the climatic suitability will increase for the invasive mosquito Aedes albopictus (vector of several human-pathogenic viruses) in most European regions. Especially in Western Europe (e.g. in France) suitability will increase. With temporal delay also central and eastern parts of Europe will provide favourable conditions. On the example of sandfly species (vectors of the Leishmania complex), the results of the species specific niche modelling show that climatic suitability can be expected to increase in Central Europe within this century. Potential future dispersal pathways for the species in a rapidly changing environment are identified via least-cost analysis. This indicates that the studied sandfly species will hardly be able to occupy all of their potentially suitable future areas due to their limited dispersal ability. In different case studies it is shown that European climate change within the 21st century will probably support a spread or at least range expansions of the mentioned disease vectors and vector-borne diseases. As a general tendency for Central Europe it can be expected that the risk will increase especially for the outgoing 21st century. This may be due to the fact that the applied regional climate models indicate a more rapid warming in the second half of the 21st century. To conclude, it is worth mentioning that further factors beyond climate change additionally facilitate the potential spread and new-establishment of vector-borne diseases. The influence of these factors on vector-borne diseases, however, depends on the considered spatial and temporal scale. Therefore, a scale-dependent risk assessment for vector-borne diseases is proposed. Starting at broader scales, climatic risk assessments can be initiated to identify risk areas. The results can then support more efficiently the development and implementation of surveillance strategies for vector-borne diseases. This enables to initiate counteractions against spreading vector-borne diseases.show moreshow less
Bei vorliegender Dissertation handelt es sich um eine Abhandlung zu vektor-assoziierten Krankheiten in Zeiten des Klimawandels. Bei vektor-assoziierten Krankheiten wird ein Pathogen durch einen Vektor (Überträger), auf ein Wirtstier übertragen. Als solche Vektoren agieren meist Arthropoden. Klimatische Veränderungen beeinflussen vektor-assoziierte Krankheiten insbesondere dadurch, dass Arthropoden ihre Körpertemperatur nicht selbst regeln können und zudem bestimmte Temperaturansprüche zur PathogBei vorliegender Dissertation handelt es sich um eine Abhandlung zu vektor-assoziierten Krankheiten in Zeiten des Klimawandels. Bei vektor-assoziierten Krankheiten wird ein Pathogen durch einen Vektor (Überträger), auf ein Wirtstier übertragen. Als solche Vektoren agieren meist Arthropoden. Klimatische Veränderungen beeinflussen vektor-assoziierte Krankheiten insbesondere dadurch, dass Arthropoden ihre Körpertemperatur nicht selbst regeln können und zudem bestimmte Temperaturansprüche zur Pathogenentwicklung im Vektor erfüllt sein müssen. Das Klimaänderungssignal des 21. Jahrhunderts wird von Klimamodellen in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Auflösungen wiedergegeben. Die Projektionen beruhen auf Emissionsszenarien klimawirksamer Treibhausgase. In der Arbeit werden die Einsatzmöglichkeiten von regionalen Klimamodellen zur Gefährdungsabschätzung anhand verschiedener Fallbeispiele aufgezeigt. Deren Nutzen und Einsatzmöglichkeiten werden einführend aufgeführt. Für die Risikoanalysen werden regionalen Klimamodelle REMO und COSMO-CLM angewandt, die durch dynamisches „Downscaling“ globaler Modelle generiert wurden. Beide sind in ihrem neuesten Prozesslauf in das globale Modell ECHAM5 eingebettet. Der direkte Übertrag bekannter Temperaturansprüche von Vektor und/oder Pathogen auf künftig zu erwartende Bedingungen stellt den ersten methodologischen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Eine Amplifikation des Dengue-Virus im Überträger der Stechmücke Aedes aegypti könnte demnach zunächst in Südeuropa, im weiteren Verlauf des 21. Jhd. aber auch in weiteren europäischen Regionen möglich sein. Weiterhin verdeutlichen die Ergebnisse, dass sich auch das Zeitfenster einer potentiellen Übertragung des Dengue-Virus verlängern kann. Durch das Überlagern der bekannten Temperaturansprüchen von Sandmücken (Gattung Phlebotomus) und der von ihnen übertragbaren Erreger - Leishmania infantum Komplex - können potentielle Regionen Deutschlands identifiziert werden, in denen einer autochthone Übertragung der Leishmaniose möglich ist. Es ist zu erwarten, dass ein solches Risiko zunächst in südwestlichen und westlichen Regionen Deutschlands, im späteren Verlaufe des des 21. Jhd. jedoch auch für eher nördlich und östlich gelegene Regionen bestehen wird. Der zweite innerhalb dieser Arbeit gewählte methodologische Ansatz zeigt die Einsatzmöglichkeiten regionaler Klimaprojektion für die bioklimatische Nischenmodellierung von Krankheitsüberträgern auf. Die anhand statistischer Verfahren ermittelte bioklimatische Nische der jeweiligen Art wird hierbei auf zukünftig zu erwartende klimatische Bedingungen übertragen. Anhand dieser Analyse kann aufgezeigt werden, dass sich die klimatische Eignung für die invasive Stechmücke Aedes albopictus (Überträger mehrere human-pathogener Viren) ausgehend von westlichen Regionen Europas über Mitteleuropa und schließlich Osteuropas erhöhen wird. Der Transfer der ermittelten spezifischen klimatischen Nische ausgewählter Sandmücken-Arten (u.a. Überträger der zum Leishmania-Komplex zählenenden Pathogenen) auf künftige Bedingungen lässt vermuten, dass deren klimatische Eignung in Mitteleuropa - abgesehen von alpinen Regionen - zunehmen wird. Künftige potenzielle Ausbreitungswege der Sandmücken in einer sich verändernden Umwelt, werden via “least-cost analysis“ ermittelt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass aufgrund der eingeschränkten natürlichen Ausbreitungsfähigkeit, einige der künftig potenziell geeigneten Lebensräume nicht erreicht werden. In den verschiedenen Fallstudien kann gezeigt werden, dass die zu erwartenden klimatischen Veränderungen im 21. Jhd. eine mögliche Ausbreitung der in dieser Arbeit adressierten Vektoren und vektor-assoziierter Krankheiten in Europa begünstigen werden. Als einheitliche Tendenz kann speziell für Mitteleuropa festgehalten werden, dass sich die Gefährdung, Ende des 21.Jhd. erhöhen wird. Dies begründet sich höchstwahrscheinlich durch die projizierte raschere Erwärmung in der zweiten Jahrhunderthälfte. Abschließend bleibt jedoch festzuhalten, dass es neben klimatischen Veränderungen weitere Faktoren für die Ausbreitung bzw. Neuetablierung von Vektoren und den damit verbundenen übertragbaren Infektionskrankheiten ausschlaggebend sind. Der Einfluss einzelner Faktoren auf die Etablierung bzw. Ausbreitung vektor-assoziierte Krankheiten variiert auf raum-zeitlichen Skalen. Für die ermittelten klimatisch-abgeleiteten Risikogebiete sollten in Folgestudien auf kleineren Skalen wirksam werdenden Faktoren integriert werden. Diese Ergebnisse können wiederum die Entwicklung von Surveillance- und Monitoringprogramme unterstützen, um somit Maßnahmen gegen die Ausbreitung von vektor-assoziierten Krankheiten initiieren zu können.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Dominik Fischer
Title Additional (German):Anwendung regionaler Klimaprojektionen für raumzeitliche Risikoanalysen von vektor-assoziierten Krankheiten
Advisor:Prof. Dr. Carl Beierkuhnlein
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:07.12.2011
Year of Completion:2011
SWD-Keyword:Europa; Infektionsrisiko; Klimaänderung; übertragbare Krankheit
Tag:Globale Erwärmung; Globalisierung; Infektonskrankheit; Klimamodell; Krankheitsüberträger
Climate model; Disease vector; Global warming; Globalization; Infectious disease
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-9618
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):21.02.2012