Kosten/Nutzen der N2-Fixierung und ihre Konsequenzen für aquatische Ökosysteme

Description: Derzeit wird diskutiert, ob Massenentwicklungen von potenziell gesundheitsgefährdenden Cyanobakterien allein durch verringerte Phosphoreinträge verhindert werden können. Viele Gewässer sind eher Stickstoff-limitiert, aber die kostspielige Reduktion der N-Einträge macht nur Sinn, wenn sie nicht durch die Fixierung von Luft-Stickstoff (N2) durch Cyanobakterien (Nostocales) mit speziellen Zellen (Heterocysten) ausgeglichen wird. Verringerte N-Einträge sollten diese Cyanobakterien dann sogar bevorteilen. Eine Langzeitstudie des IGB am Berliner Müggelsee zeigt bei reduzierten N-Einträgen aber eine Verringerung des Anteils der Nostocales am gesamten Phytoplankton und eine Verschiebung von Aphanizomenon- zu Anabaena-Arten. Wir wollen folgende Hypothesen testen: 1) Die energieaufwendige N2-Fixierung lohnt sich nur bei sehr geringem Angebot an Nitrat und Ammonium (=DIN). 2) Durch den Klimawandel nehmen Dauer und Häufigkeit thermischer Schichtung von Flachseen zu, dadurch werden pulsartig gelöstes P und N aus dem Sediment freigesetzt. Die stammspezifischen Strategien der Nostocales bei der Ausbildung von Heterocysten und beim Anschalten der N2-Fixierung hängen von Höhe und Dynamik des DIN-Angebots ab. 3) Diese stammspezifischen Traits erklären die im See beobachtete Wirkung verringerter N-Einträge und des Klimawandels auf die Planktongemeinschaft. Zur Testung dieser Hypothesen werden Labor- und Freilandexperimente, die Analyse von Langzeitdaten und Modellierung verbunden. Im Labor werden Wachstumsraten und N2-Fixierung verschiedener Aphanizomenon- und Anabaena-Stämme in Abhängigkeit von der DIN-Konzentration verglichen, wobei letztere konstant oder gepulst ist. In Konkurrenzversuchen wird festgestellt, welcher Stamm sich bei welcher DIN-Konzentration durchsetzt. Analoge Versuche werden im Müggelsee mit natürlichen Planktongemeinschaften durchgeführt. N2-Fixierung durch Nostocales und N-Einträge durch die Spree werden verglichen. Ein vorhandenes Anabaena-Modell wird um aktuelle Literaturdaten und die Erkenntnisse aus den beschriebenen Experimenten ergänzt und auf Aphanizomenon erweitert. Dieses Modell wird dann in ein biogeochemisches Modell integriert, das einen Modellsee erst eindimensional, für höhere zeitliche Auflösung auch dreidimensional beschreibt. Das Modell wird anhand von Langzeitdaten des Müggelsees kalibriert und validiert. Mit ihm werden dann Szenarien mit verschiedenen DIN-Konzentrationen und den untersuchten Stämmen für relevante Bereiche von externen P- und N-Frachten, Wassertemperaturen und Schichtungsbedingungen simuliert. Zudem soll ein Nostocales-Modul entwickelt werden, das in vorhandene Wassergütemodelle integriert werden kann. Dieses neue Wissen soll für ein effektiveres und nachhaltigeres Gewässermanagement genutzt werden, wobei die zu entwickelnden Modelle bei der Prognose der Cyanobakterien-Entwicklung und der entsprechenden Festlegung qualifizierter Eintrags-Grenzwerte auch unter veränderten klimatischen Bedingungen helfen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Berlin ? Müggelsee ? Ammonium ? Nitrat ? Berlin ? Cyanobakterien ? Phytoplankton ? Wassertemperatur ? Spree ? Hydrogeologie ? Plankton ? Szenario ? Phosphoreintrag ? Hydrochemie ? Langzeituntersuchung ? Limnologie ? Aquatisches Ökosystem ? Siedlungswasserwirtschaft ? Stickstofffixierung ? Ausbildung ? Sediment ? Modellierung ? Freilandversuch ? Hydrologie ? Klima ? Klimawandel ? Integrated Water Resources Management ? Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ? Urban Water Management ? Water Chemistry ?

Region: Berlin

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (Projektverantwortung)
• Technische Universität Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, Fachgebiet Wasserreinhaltung (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Freiburg, Institut für Biologie III (Mitwirkung)

Time ranges: 2023-01-01 - 2025-10-02

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Cost/benefit of dinitrogen fixation and the ecosystem consequences
  Description: There is currently debate whether mass developments of potentially harmful cyanobacteria can be prevented by reduced phosphorus inputs alone. Many lakes tend to be nitrogen-limited, but the costly reduction of N inputs only makes sense if it is not compensated by the fixation of atmospheric nitrogen (N2) by cyanobacteria (Nostocales) with specialized cells (heterocysts). Reduced N inputs should then even favor these cyanobacteria. However, a long-term study of IGB at the Berlin lake Müggelsee shows a reduction of the proportion of Nostocales in the total phytoplankton and a shift from Aphanizomenon to Anabaena species under reduced N inputs. We want to test the following hypotheses: 1) Energy-intensive N2 fixation is only worthwhile for Nostocales when the supply of nitrate and ammonium (=DIN) is very low. 2) Climate change increases the duration and frequency of thermal stratification of shallow lakes, resulting in the pulse-like release of dissolved P and N from the sediment. The strain-specific strategies of Nostocales in forming heterocysts and turning on N2 fixation depend on the level and dynamics of DIN supply. 3) These strain-specific traits explain the effect of reduced N inputs and climate change on the plankton community observed in the lake. Laboratory and field experiments, analysis of long-term data, and modeling will be combined to test these hypotheses. In the laboratory, growth rates and N2 fixation of four Aphanizomenon and Anabaena strains are measured as a function of DIN concentration, the latter being constant or pulsed. An Anabaena mutant unable to fix N2 will be studied for comparison. Changes in rates of growth or photosynthesis describe fitness costs or benefits of N2 fixation. Competition experiments are conducted to determine which strain prevails at which DIN concentration. Analogous experiments are conducted in Müggelsee with natural plankton communities. N2 fixation by Nostocales and N inputs by the Spree River will be compared. An existing Anabaena model will be updated by recent literature data and our findings from the described experiments and extended to include Aphanizomenon. This model will then be integrated into a biogeochemical model describing a model lake first in one dimension, and for higher temporal resolution also in three dimensions. The model is calibrated and validated using long-term data from Müggelsee. It will then be used to simulate scenarios with different DIN concentrations and the studied strains for relevant ranges of external P and N loads, water temperatures and stratification conditions. In addition, a Nostocales module will be developed that can be integrated into existing water quality models. This new knowledge can be used for more effective and sustainable lake management. Our models can be applied in predicting cyanobacterial development and setting qualified N input limits accordingly, even under changing climatic conditions. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138775

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/529624036 (Webseite)

Status

Aktiv

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