Sarah Groschupp

• The present work focuses on Culicoides biting midges, which serve as vectors for BTV and SBV. Both BTV and SBV are notable examples of vector-borne viruses affecting wild and domesticated ruminants and are currently present in Europe´s temperate climate. These viruses can cause diseases that result in animal suffering and economic losses for farmers and associated agribusinesses (Veldhuis et al., 2014; Gethmann et al., 2020). Culicoides species that occur in the temperate climate zones of Europe – including Germany – can transmit or are suspected of being able to transmit other viruses (Carpenter et al., 2015; Quaglia et al., 2023). Although these additional viruses are not currently present in the region, they could potentially emerge in the future. Furthermore, an extension of the seasonal activity period or even a year-round activity of Culicoides specimens, e.g., due to temperatures required for the activities, may result in only a brief or no interruption of virus transmission (Mehlhorn et al., 2009 a; Sarvašová et al., 2016; Hudson et al., 2023). Since BTV and SBV directly impact livestock farms (Gethmann et al., 2020), conducting investigations at the relevant sites makes sense. This way, effective vector control measures and risk assessments can be developed and implemented directly for these facilities. Consequently, all studies presented in this thesis were conducted on livestock farms. Various trapping systems are available for capturing Culicoides biting midges (Venter et al., 2009; Probst et al., 2015). In previous research conducted in Germany, UV-light traps have been commonly used to determine the seasonal activity and species composition of Culicoides (Clausen et al., 2009; Kiel et al., 2009; Mehlhorn et al., 2009 b). Studies about breeding sites usually utilised emergence traps (Harrup et al., 2013; Werner et al., 2020; Kameke et al., 2021). To ensure a reliable comparison with previous investigations, trap systems were used in this dissertation that are almost identical to those used in previous investigations. As current studies on the year-round occurrence of biting midges of the genus Culicoides in Germany were not available, the first study aimed to provide up-to-date data on the activity of Culicoides both inside and outside livestock stables throughout the entire year. In addition, the species composition inside and outside the stables was examined. A second study was conducted to gain further insights into the winter activity of adult Culicoides and assess whether a vector-free period occurs during the winter months. In both studies, Culicoides specimens were collected on a weekly basis using UV-light traps placed indoors and outdoors of stables at various livestock farms in Germany. For the first study, Culicoides specimens were captured from January to December 2019. The second study was conducted in two consecutive winter periods, with sampling from October to April in 2019/2020 and 2020/2021. Species belonging to the Obsoletus Group (comprising C. obsoletus, C. scoticus, C. chiopterus, C. dewulfi) were the most frequently captured Culicoides species in the first and second study, both inside and outside the stables. Species assigned to the Pulicaris Complex (comprising C. pulicaris, C. punctatus, C. impunctatus) were collected in lower numbers than those of the Obsoletus Group but were also represented outside and inside the stables. Both the Obsoletus Group and the Pulicaris Complex include vector species (Kampen & Werner, 2023), making their high abundance on livestock farms particularly relevant. In addition, ‘other Culicoides’ (comprising all Culicoides species that belong neither to the Obsoletus Group nor the Pulicaris Complex) were trapped, although they represented only a small proportion in both studies, the species composition was higher outdoors than indoors. The results are consistent with previous findings (Clausen et al., 2009; Mehlhorn et al., 2009 a; Meiswinkel et al., 2014). The activity periods of Culicoides specimens vary throughout the year (Clausen et al., 2009; Mehlhorn et al., 2009 a; Meiswinkel et al., 2014). In this work, the majority of Culicoides specimens were captured between May and October. Although the number of active Culicoides was lower during the winter months compared to summer, activity did not cease entirely or only for a very short period. Notably, species of the Obsoletus Group remained active inside and outside the stables for a longer period than those of the Pulicaris Complex. During the studies, higher numbers of blood-fed Culicoides were trapped in summer than in winter. Nevertheless, blood-fed Culicoides, mainly from the Obsoletus Group, were also caught in winter, particularly in the stables. Previous research has similarly documented the activity of Culicoides specimens during winter, and researchers pointed out that a seasonal vector-free period (SVFP) might not exist (Hoffmann et al., 2008; Meiswinkel et al., 2008; Clausen et al., 2009; Mehlhorn et al., 2009 a). The findings of this dissertation support this notion, indicating that there is either no or only a very short SVFP. However, differences were observed between indoors and outdoors. Culicoides were active and fed on blood inside the stables for a significantly longer period, resulting in a much shorter SVFP than outdoors, where the SVFP lasted the entire winter. The differences in the activity of the Obsoletus Group and the Pulicaris Complex and between indoor and outdoor activity can be attributed to the considerable impact of temperature. Previous studies have found a correlation between temperature and Culicoides activity (Silbermayr et al., 2011; Sarvašová et al., 2016), a finding that was confirmed in the present work. Furthermore, it was shown that Culicoides of the Obsoletus Group and the Pulicaris Complex species have different temperature requirements: representatives of the Obsoletus Group were active at lower temperatures than those of the Pulicaris Complex, which explains the longer duration of activity of species of the Obsoletus Group. In addition, due to the higher temperatures in the stables, a longer activity period was observed there compared to outdoors – especially of the Obsoletus Group. The results of the first and the second study of this dissertation highlighted the significant influence of temperature and trap locations (indoor or outdoor) on the detection of Culicoides species and activity. Therefore, the trap location should be carefully considered in future experimental designs. Previous studies have shown that various substrates, such as those found in or near livestock farms, serve as breeding sites (Harrup et al., 2013; Werner et al., 2020; Kameke et al., 2021). However, there is limited information on the suitability of substrates in the immediate vicinity of livestock as breeding habitats. To address this gap, the third investigation of this dissertation focused on deep litter as a possible breeding substrate situated close to potential hosts on farms. Knowledge of breeding sites and their characteristics is essential for developing vector control measures that can be implemented before the emergence of adult Culicoides biting midges. Emergence traps were placed on deep litter for two consecutive summers, inside and outside a stable. In the stable, only Culicoides species belonging to the Obsoletus Group emerged over several weeks until the moisture content of the substrate fell below a certain threshold value. At this point, no further development was possible, so no more individuals hatched. Outdoors, significantly more Culicoides, almost all belonging to the Obsoletus Group, were captured in the shade than in the sun. This difference can be attributed to the higher moisture content of the substrate in the shaded area, which was twice as high as in the sun-exposed area. The findings of this study demonstrate that deep litter is a suitable breeding substrate for Culicoides, especially for species of the Obsoletus Group. In the event of virus circulation, farmers should muck out deep litter more frequently and remove it from the vicinity of the livestock to reduce the Culicoides population and, consequently, the risk of virus transmission. While previous studies examined a range of substrates as potential breeding sites for Culicoides (Harrup et al., 2013; Werner et al., 2020; Kameke et al., 2021), this study focused on a single substrate. The number of Culicoides that emerged from this substrate varied greatly depending on the trap location, highlighting an important consideration for future studies. Since this study was limited to one farm, checking the results on additional farms is advisable. In summary, the results of the three investigations demonstrated that Culicoides biting midges, including the putative vector species, were present inside and outside of stables on all farms investigated. Moreover, Culicoides biting midges remained active for almost the whole year. During the winter, stables and livestock were kept there, providing favourable conditions for Culicoides activity and blood-feeding. The analysis of deep litter as a suitable breeding substrate for Culicoides biting midges revealed that the moisture content significantly influences the number of Culicoides emerging. As changes in both the activity period and the composition of Culicoides – e.g., as a result of climate change – are expected, ongoing studies are needed to monitor the activity – especially in winter – and the composition of this genus. In addition, further research should focus on identifying and assessing substrates in the immediate vicinity of livestock as potential breeding habitats. In this way, if necessary, vector control measures can be implemented before the vectors hatch.
• Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Culicoides, die als Vektoren für BTV und SBV dienen. Sowohl BTV als auch SBV sind bemerkenswerte Beispiele für durch Vektoren übertragene Viren, die wildlebende und domestizierte Wiederkäuer befallen und derzeit in der gemäßigten Klimazone Europas vorkommen. Diese Viren können Krankheiten verursachen, die zu Tierleid und wirtschaftlichen Verlusten für Landwirte und damit verbundene Agrarwirtschaft führen (Veldhuis et al., 2014; Gethmann et al., 2020). Culicoides-Arten, die in den gemäßigten Klimazonen Europas – einschließlich Deutschlands – vorkommen, können weitere Viren übertragen oder stehen im Verdacht, dazu in der Lage zu sein (Carpenter et al., 2015; Quaglia et al., 2023). Obwohl diese zusätzlichen Viren derzeit nicht in dieser Region vorkommen, könnten sie in Zukunft möglicherweise auftreten. Darüber hinaus kann eine Verlängerung der saisonalen Aktivitätsperiode oder sogar eine ganzjährige Aktivität von Culicoides-Exemplaren, z. B. aufgrund für die Aktivitäten benötigten Temperaturen, zu einer kurzen oder gar keiner Unterbrechung der Virusübertragung führen (Mehlhorn et al., 2009 a; Sarvašová et al., 2016; Hudson et al., 2023). Da sich BTV und SBV direkt auf Tierhaltungsbetriebe auswirken (Gethmann et al., 2020), ist es sinnvoll, Untersuchungen an den entsprechenden Standorten durchzuführen. So können wirksame Vektorkontrollmaßnahmen und Risikobewertungen direkt für diese Betriebe entwickelt und umgesetzt werden. Aus diesem Grund wurden alle Untersuchungen in dieser Arbeit auf landwirtschaftlichen Betrieben mit Tierhaltung durchgeführt. Für den Fang von Culicoides können verschiedene Fallensysteme eingesetzt werden (Venter et al., 2009; Probst et al., 2015). In früheren Studien in Deutschland wurden UV-Lichtfallen eingesetzt, um die saisonale Aktivität und die Artenzusammensetzung von Culicoides zu bestimmen (Clausen et al., 2009; Kiel et al., 2009; Mehlhorn et al., 2009 b). In Studien über Brutplätze wurden Emergenzfallen eingesetzt (Harrup et al., 2013; Werner et al., 2020; Kameke et al., 2021). Um einen zuverlässigen Vergleich mit früheren Untersuchungen zu gewährleisten, wurden in dieser Dissertation Fallensysteme verwendet, die nahezu identisch sind mit denen, die in früheren Untersuchungen eingesetzt wurden. Da keine aktuellen Studien über das ganzjährige Vorkommen von Gnitzen der Gattung Culicoides in Deutschland vorlagen, war es das Ziel der ersten Studie, aktuelle Daten zur Aktivität von Culicoides innerhalb und außerhalb von Nutztierställen über ein gesamtes Jahr zu liefern. Darüber hinaus wurde die Artenzusammensetzung innerhalb und außerhalb der Ställe untersucht. Eine zweite Studie wurde durchgeführt, um weitere Erkenntnisse über die Winteraktivität adulter Culicoides zu gewinnen und zu beurteilen, ob es in den Wintermonaten eine vektorfreie Zeit gibt. In beiden Studien wurden wöchentlich Culicoides-Exemplare mit Hilfe von UV-Lichtfallen gefangen, die innerhalb und außerhalb von Ställen in verschiedenen Viehzuchtbetrieben angebracht wurden. Für die erste Studie wurden Culicoides-Exemplare von Januar bis Dezember 2019 gefangen. Die zweite Studie wurde in zwei aufeinanderfolgenden Wintern durchgeführt, mit Probenahmen von Oktober bis April in den Jahren 2019/2020 und 2020/2021. Arten der Obsoletus-Gruppe (C. obsoletus, C. scoticus, C. chiopterus, C. dewulfi) waren in der ersten und zweiten Studie die am häufigsten gefangenen Culicoides-Arten, sowohl innerhalb als auch außerhalb der Ställe. Arten des Pulicaris-Komplexes (C. pulicaris, C. punctatus, C. impunctatus) wurden in geringerer Zahl gefangen als die Arten der Obsoletus-Gruppe, waren jedoch auch außerhalb und innerhalb der Ställe vertreten. Sowohl die Obsoletus-Gruppe als auch der Pulicaris-Komplex enthalten Vektorarten (Kampen & Werner, 2023), was ihre hohe Abundanz in Viehzuchtbetrieben besonders relevant macht. Darüber hinaus wurden „andere Culicoides“ (alle Culicoides-Arten, die weder zur Obsoletus-Gruppe noch zum Pulicaris-Komplex zugeordnet wurden) gefangen, obwohl sie in beiden Untersuchungen nur einen geringen Anteil ausmachten. Die Artenzusammensetzung dieser Gruppe war im Freien höher als in den Ställen. Die Ergebnisse der Untersuchungen stimmen mit den Erkenntnissen anderer Studien überein (Clausen et al., 2009; Mehlhorn et al., 2009 a; Meiswinkel et al., 2014). Die Aktivitätsperioden der Culicoides-Exemplare variieren im Jahresverlauf (Clausen et al., 2009; Mehlhorn et al., 2009 a; Meiswinkel et al., 2014). In dieser Arbeit wurden die meisten Culicoides-Exemplare zwischen Mai und Oktober gefangen. Obwohl weniger Culicoides-Exemplare in den Wintermonaten gefangen wurden als im Sommer, kam sie nicht zum Stillstand oder nur für sehr kurze Zeit. Vor allem die Arten der Obsoletus-Gruppe waren innerhalb und außerhalb der Ställe länger aktiv als die des Pulicaris-Komplexes. Während der Studien wurden im Sommer mehr blutgesogene Culicoides gefangen als im Winter. Dennoch wurden auch im Winter, vor allem in den Ställen, blutgesogene Culicoides, hauptsächlich aus der Obsoletus-Gruppe, gefangen. In früheren Untersuchungen wurden ebenfalls Culicoides-Exemplare im Winter gefangen, und die Forscher wiesen darauf hin, dass es möglicherweise keine saisonale vektorfreie Periode (SVFP) existiert (Hoffmann et al., 2008; Meiswinkel et al., 2008; Clausen et al., 2009; Mehlhorn et al., 2009 a). Die Ergebnisse dieser Dissertation stützen diese Annahme, dass es entweder keine oder nur eine sehr kurze SVFP gibt. Es wurden jedoch Unterschiede zwischen innen und außen beobachtet. In den Ställen waren Culicoides über einen deutlich längeren Zeitraum aktiv und nahmen Blutmahlzeiten auf, was zu einer viel kürzeren SVFP führte als im Freien, wo die SVFP den ganzen Winter andauerte. Die Unterschiede in der Aktivität der Obsoletus-Gruppe und des Pulicaris-Komplexes sowie zwischen Innen- und Außenaktivität lassen sich auf den erheblichen Einfluss der Temperatur zurückführen. In früheren Studien wurde ein Zusammenhang zwischen Temperatur und Aktivität festgestellt (Silbermayr et al., 2011; Sarvašová et al., 2016), ein Ergebnis, das in der vorliegenden Arbeit bestätigt wurde. Außerdem zeigte sich, dass Culicoides der Obsoletus-Gruppe und die Arten des Pulicaris-Komplexes unterschiedliche Temperaturanforderungen haben: Vertreter der Obsoletus-Gruppe waren bei niedrigeren Temperaturen aktiv als die des Pulicaris-Komplexes, was die längere Aktivitätsdauer der Arten der Obsoletus-Gruppe erklärt. Darüber hinaus wurde aufgrund der höheren Temperaturen in den Ställen eine längere Aktivitätsdauer als im Freien beobachtet – insbesondere bei der Obsoletus-Gruppe. Die Ergebnisse der ersten und zweiten Studie dieser Dissertation haben gezeigt, dass die Temperatur und der Standort der Fallen (innen oder draußen) einen wesentlichen Einfluss auf den Nachweis von Culicoides-Arten und deren Aktivität haben. Daher sollte der Fallenstandort bei künftigen Versuchsplänen sorgfältig berücksichtigt werden. Frühere Studien haben gezeigt, dass verschiedene Substrate, wie sie in oder in der Nähe von Viehzuchtbetrieben vorkommen, als Brutplätze dienen (Harrup et al., 2013; Werner et al., 2020; Kameke et al., 2021). Es liegen jedoch nur wenige Informationen darüber vor, inwieweit Substrate in unmittelbarer Nähe von Nutztieren als Bruthabitate geeignet sind. Um diese Lücke zu schließen, konzentrierte sich die dritte Untersuchung in dieser Dissertation auf Tiefstreu als mögliches Brutsubstrat, das in der Nähe von potenziellen Wirten auf landwirtschaftlichen Tierhaltungsbetrieben vorkommt. Die Kenntnis der Brutplätze und ihrer Eigenschaften ist für die Entwicklung von Vektorkontrollmaßnahmen, die vor dem Schlüpfen der adulten Culicoides durchgeführt werden können, von wesentlicher Bedeutung. Emergenzfallen wurden in zwei aufeinanderfolgenden Sommern innerhalb und außerhalb eines Stalles auf Tiefstreu aufgestellt. Im Stall wurden nur Culicoides-Arten der Obsoletus-Gruppe mehrere Wochen gefangen, bis der Feuchtigkeitsgehalt des Substrats unter einen bestimmten Schwellenwert fiel. An diesem Punkt war keine weitere Entwicklung mehr möglich, so dass keine weiteren Individuen schlüpften. Im Freien wurden deutlich mehr Culicoides, fast ausschließlich aus der Obsoletus-Gruppe, im schattigen als in sonnigen Bereichen gefangen. Dieser Unterschied ist auf den höheren Feuchtigkeitsgehalt des Substrats im schattigen Bereich zurückzuführen, der im Schatten doppelt so hoch war wie in der Sonne. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass Tiefstreu ein geeignetes Brutsubstrat für Culicoides ist, insbesondere für Arten der Obsoletus-Gruppe. Im Falle einer Viruszirkulation sollten Landwirte die Tiefstreu häufiger ausmisten und aus der Umgebung der Tiere entfernen, um die Culicoides-Population und damit das Risiko einer Virusübertragung zu reduzieren. Während in früheren Studien verschiedene Substrate als potenzielle Brutstätten für Culicoides untersucht wurden (Harrup et al., 2013; Werner et al., 2020; Kameke et al., 2021), konzentrierte sich diese Studie auf ein einziges Substrat. Die Anzahl der aus diesem Substrat geschlüpften Culicoides variierte stark in Abhängigkeit vom Fallenstandort, was einen wichtigen Aspekt für zukünftige Studien hervorhebt. Da diese Studie auf einen Betrieb beschränkt war, empfiehlt es sich, die Ergebnisse auf weiteren Betrieben zu überprüfen. Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse der drei Untersuchungen, dass Culicoides, einschließlich der mutmaßlichen Vektorarten, in allen untersuchten Betrieben innerhalb und außerhalb von Ställen vorhanden waren. Außerdem waren Culicoides fast das ganze Jahr über aktiv. Während des Winters bieten Ställe und die darin gehaltenen Tiere günstige Bedingungen für die Aktivität von Culicoides und für die Aufnahme einer Blutmahlzeit. Die Untersuchung von Tiefstreu als geeignetes Brutsubstrat für Culicoides ergab, dass der Feuchtigkeitsgehalt einen signifikanten Einfluss auf die Anzahl der Culicoides die schlüpfen hat. Da Veränderungen sowohl in der Aktivitätsperiode als auch in der Zusammensetzung von Culicoides – z. B. als Folge des Klimawandels – zu erwarten sind, sind laufende Studien zur Überwachung der Aktivität – insbesondere im Winter – und der Artenzusammensetzung dieser Gattung erforderlich. Darüber hinaus sollte sich die weitere Forschung darauf konzentrieren, Substrate in unmittelbarer Nähe von Viehbeständen als potenzielle Bruthabitate zu identifizieren und zu bewerten. Auf diese Weise können Maßnahmen zur Vektorkontrolle vor dem Schlüpfen durchgeführt werden, falls diese notwendig sind.