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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

Polysaccharides quantified in sediment cores from coastal vegetated ecosystems

50-cm deep sediment cores were taken in saltmarsh, seagrass, mangroves and unvegetated areas around the German Bight, Malaysia and Columbia in 2022 and 2023. Up to 3 points per ecosystem were sampled along a transect, in total 93 cores were analysed. Carbohydrates were sequentially extracted using MilliQ-water and 0.3 M EDTA for later analyses. Polysaccharides were screened using microarray analysis following the method described by Vidal-Melgosa et al. (2022). Briefly, sediment extracts from MilliQ-water and EDTA were combined in equal volumes, and 30 µL of the mixture was transferred into wells of 384-microwell plates. Two consecutive two-fold dilutions were performed using a printing buffer (55.2% glycerol, 44% water, 0.8% Triton X-100). The plates were then centrifuged at 3,500 × g for 10 minutes at 15 °C. Each microarray was individually probed with a monoclonal antibody (mAb), and binding was detected using a secondary antibody conjugated to alkaline phosphatase. In the presence of its substrate, this reaction produced a colorimetric signal. Developed arrays were scanned at 2400 dots per inch, and binding signal intensity was quantified using Array-Pro Analyzer 6.3 software (Media Cybernetics).

Carbonate chemistry speciation of the 2023 KOSMOS Helgoland experiment on the effects of ocean alkalinity enhancement on pelagic foodwebs

This dataset contains carbonate chemistry speciation data of the 2023 KOSMOS mesocosm study on Helgoland, Germany. This study tested the effects of ocean alkalinity enhancement simulating lime additions on pelagic ecosystem functioning during a spring bloom. Carbonate chemistry speciation (fCO2, pHT, calcium carbonate saturation state) was generally calculated from measurements of total alkalinity (TA) and dissolved inorganic carbon (DIC) in depth-integrated water samples. There were 12 mesocosms in total and in 6 of them an alkalinity gradient of up to +1250 umol/kg was established in steps of 250 umol/kg. In the remaining 6 the same amount of alkalinity was added only to the upper portion of the mesocosms, resulting in twice the alkalinity increase there, before being mixed in after 48 hours. The two treatments simulated the immediate dilution of TA after ship deployment as well as a delayed one from a point source.

Nationalpark Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer - Schutzzonen 1 und 2 des Nationalparks (Zonierung, LKN.SH - NPV)

Mit diesem Datensatz wird die Zonierung des Nationalparks „Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer“ bereitgestellt. Der Nationalpark wurde 1985 gegründet und 1999 erweitert. Er dient dem Schutz und der natürlichen Entwicklung des schleswig-holsteinischen Wattenmeeres und der Bewahrung seiner besonderen Eigenart. Die Gesamtheit der Natur in ihrer natürlichen Entwicklung mit allen Pflanzen, Tieren und Ökosystemen besitzt einen zu schützenden Eigenwert (§ 2 Abs. 1 Nationalparkgesetz). Um einen möglichst ungestörten Ablauf der Naturvorgänge zu gewährleisten wurde der Nationalpark in zwei Schutzzonen eingeteilt (Schutzzone 1 und Schutzzone 2), die mit verschiedenen Schutzbestimmungen versehen sind. Schutzzone 1 darf u.a. nicht betreten werden und beinhaltet ein nutzungsfreies Gebiet zwischen Sylt und Föhr. Schutzzone 2 darf eingeschränkt genutzt werden. Die Einteilung des Nationalparks in diese zwei Schutzzonen wird durch § 4 des Nationalparkgesetzes geregelt (Gesetz zum Schutz des schleswig-holsteinischen Wattenmeeres (Nationalparkgesetz – NPG vom 17. Dezember 1999 zuletzt geändert mit Verordnung vom 16.1.2019 (GVOBl. Schl.-H. S. 30)). Die dynamische Anpassung der Schutzzonen in den Kartendarstellungen ist aufgrund der sog. Schutzzonen-Verordnung möglich (Schutzzonenverordnung Nationalpark Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer – SchutzzonenVO vom 4. Dezember 2017 (GVOBl. Schl.-H. v. 21.12.2017, S. 556)). Download der Gesetzestexte s. unten. Für eine Darstellung des Nationalpark-Gebietes ohne die Differenzierung nach Schutzzonen wird ein weiterer Datensatz mit der Lage der Außengrenzen zur Verfügung gestellt: Nationalpark Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer Außengrenzen des Nationalparks (LKN.SH - NPV) Objekt-ID: CF2A1A52-EC3B-4837-91E3-DDC6A8CD84FA. Alle hier erwähnten Daten zum Nationalpark sind Auszüge aus einem Gesamtdatensatz: Rechtliche Gliederung des Nationalparks mit den angrenzenden Gebieten, Stand 12/2017 Kr. 11/2019 (Objekt-ID:5f2aeb4f-a5ec-4a0d-8a11-9f90fe4c7bee).

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Abhängigkeit von Symbiosen zwischen endophytischen Pilzen und Gräsern von der Landnutzungsintensität

In diesem Projekt werden ökologische und voraussichtlich ökonomische Auswirkungen von endophytischen Pilzen der Gattung Epichloë auf Alkaloidproduktion, Herbivorentoxizität, zeitliche Veränderungen und biotische Interaktionen zwischen Arten entlang eines Landnutzungsgradienten untersucht. Mit unserer Studie wollen wir die folgenden Fragen beantworten:1) Welche Stoffwechselalkaloide werden durch Endophyten-Grass Symbiosen auf 150 Graslandflächen produziert?2) Beeinflusst die Landnutzungsintensität das Endophyten Vorkommen und die Alkaloidkonzentrationen zwischen den Jahren unterschiedlich?3) Zeigen Endophyten-Gras Symbiosen in echten Ökosystemen die gleichen zeitlichen Dynamiken im Endophytenwachstum und der Alkaloidproduktion als Agrargräser in Freilandexperimenten?4) Ist die Vergesellschaftung von Blattendophyten in Gräsern abhängig von der Landnutzungsintensität?5) Beeinflusst das Vorkommen von systemischen endophytischen Pilzen die Vergesellschaftung von Blattendophyten in Gräsern?6) Können die Gründe und Risiken von Alkaloidkonzentrationen über der Toxizitätsgrenze für Nutztiere vorhergesagt werden?

Project OTC-Genomics: Environmental and microbial time series data from the Warnow estuary and the Baltic Sea coast

Estuaries and coasts are characterized by ecological dynamics that bridge the boundary between habitats, such as fresh and marine water bodies or the open sea and the land. Because of this, these ecosystems harbor ecosystem functions that shaped human history. At the same time, they display distinct dynamics on large and small temporal and spatial scales, impeding their study. Within the framework of the OTC-Genomics project, we compiled a data set describing the community composition as well as abiotic state of an estuary and the coastal region close to it with unprecedented spatio-temporal resolution. We sampled fifteen locations in a weekly to twice weekly rhythm for a year across the Warnow river estuary and the Baltic Sea coast. From those samples, we measured temperature, salinity, and the concentrations of Chlorophyll a, phosphate, nitrate, and nitrite (physico-chemical data); we sequenced the 16S and 18S rRNA gene to explore taxonomic community composition (sequencing data and bioinformatic processing workflow); we quantified cell abundances via flow cytometry (flow cytometry data); and we measured organic trace substances in the water (organic pollutants data). Processed data products are further available on figshare.

Nationalpark Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer - Außengrenze des Nationalparks (LKN.SH - NPV)

Mit diesem Datensatz wird das Gebiet des Nationalparks „Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer“ mit seiner Außengrenze bereitgestellt, ohne dabei die Lage der Schutzzonen 1 und 2 wiederzugeben. Der Verlauf der Nationalparkgrenze wird durch § 3 des Nationalparkgesetzes geregelt (Gesetz zum Schutz des schleswig-holsteinischen Wattenmeeres (Nationalparkgesetz – NPG vom 17. Dezember 1999; Gesetz- und Verordnungsblatt für Schleswig-Holstein S. 518), zuletzt geändert durch Art. 19 LVO v. 16.01.2019, GVOBl. S. 30 . Der Nationalpark wurde 1985 gegründet und 1999 erweitert. Er dient dem Schutz und der natürlichen Entwicklung des schleswig-holsteinischen Wattenmeeres und der Bewahrung seiner besonderen Eigenart. Die Gesamtheit der Natur in ihrer natürlichen Entwicklung mit allen Pflanzen, Tieren und Ökosystemen besitzt einen zu schützenden Eigenwert (§ 2 Abs. 1 Nationalparkgesetz). Um einen möglichst ungestörten Ablauf der Naturvorgänge zu gewährleisten wurde der Nationalpark in zwei Schutzzonen eingeteilt (Schutzzone 1 und Schutzzone 2), die mit verschiedenen Schutzbestimmungen versehen sind (Details zu den Schutzzonen siehe Objekt-ID: ED41FE5D-B260-4DE7-839E-21803829F5EA). Alle hier erwähnten Daten zum Nationalpark sind Auszüge aus: Rechtliche Gliederung des Nationalparks mit den angrenzenden Gebieten, Stand 12/2017 Kr. 11/2019 (Objekt-ID:5f2aeb4f-a5ec-4a0d-8a11-9f90fe4c7bee)

Pflanzengeographie und Pflanzenoekologie des borealen Nadelwaldes

Der boreale Nadelwald, die Taiga, ist eines der groessten Oekosysteme der Erde. Doch seine verschiedenen Teilgebiete sind auch innerhalb des Postglazials recht unterschiedlich alt. Ebenso verschiedenartig sind die oekologischen Gegebenheiten. Es stellt sich die Frage, ob die Taiga als ein einziges Oekosystem betrachtet werden darf. Die laufenden oekologischen Untersuchungen sollen die Ursachen fuer den lichten Stand der Baeume in einzelnen Teilen der Taiga klaeren. Von Bedeutung sind dabei Fragen nach Art, Ort und Intensitaet der Wurzelkonkurrenz sowie nach den oekologischen Folgen der Nadelstreu und des Moos- und Flechtenteppichs im Hinblick auf den Wasser und Waermehaushalt und auf die Bestandesverjuengung. Die Untersuchungen werden in Kanada, Nordeuropa und Ostjakutien durchgefuehrt.

Charakterisierung von Mineralstaub-Deposition mit hoher Zeitauflösung im Hinblick auf Partikelgröße, Zusammensetzung und atmosphärische Alterung an für ein atmosphärisch-ozeanisches Staubbudget relevanten Standorten

Nass- und Trockendeposition sind die wesentlichen Prozesse, die Mineralstaub aus der Atmosphäre entfernen. Teragramm Mineralstaub werden pro Jahr interkontinental verfrachtet. Erreicht Staub weitab von seiner Quelle wieder die Erdoberfläche, kann er erheblichen Einfluss auf Ökosysteme haben. Insbesondere ozeanische Ökosysteme sind in ihrer Bioproduktivität nährstofflimitiert. Diese Nährstoffe können durch Mineralstaub eingetragen werden. Trotz der Bedeutung der Deposition sind Messungen bislang rar, und Staubmodelle, die sich an den wenigen Messungen validieren, zeigen erhebliche Fehler. Hauptsächlich der Mangel an geeigneten Messdaten behindert im Moment das weitergehende Verständnis des Staubzyklus. Fehlende standardisierte Messtechnik zur Trockendepositionsmessung erschwert bislang gute Datenerfassung. Daher wird ein neuer automatisierter Nass- und Trockendepositionssammler entwickelt und charakterisiert. Der Sammler wird mit meteorologisch relevanter Zeitauflösung (Stunden bis Tage) betrieben und damit einen großen Nachteil vergangener Messungen beheben, nämlich eine Zeitauflösung von meist Wochen bis Monaten. Durch den Einsatz automatisierter rasterelektronenmikroskopischer Einzelpartikel-Analyse wird ein bisher unerreichter Daten-Detailreichtum für Partikelgrößen von 700 nm bis 100 mym zur Verfügung stehen, einschließlich Partikelgrößenverteilung, Elementzusammensetzung und Partikel-Mischungszustand. Besondere Aufmerksamkeit wird potentiellen Nährstoffen wie Fe, P, K, Mg und Ca gewidmet. Für ausgewählte Proben wird weiterhin Partikel-Hygroskopizität bestimmt.Nach der Testphase auf der Insel Frioul, Frankreich, während der der Sammler im Vergleich zur dort existierenden Zeitreihe validiert wird, werden drei Instrumente an Stationen in Betrieb genommen, die für Staubeintrag in die relevant Ozeane sind: Sao Vicente, Kap Verde und Barbados im Saharischen Ausfluss so wie Heimaey, Island, im arktischen Staub. In einer zweiten Phase (nach dem vorliegenden Projekt) soll das Netzwerk dann erweitert werden durch New Island, Falkland im südamerikanischen Ausfluss, Amakusa, Japan im asiatischen Ausfluss und die Insel Amsterdam zwischen dem südafrikanischen und dem australischen Ausfluss. Zum ersten Mal werden aus diesem Projekt kontinuierliche Zeitreihen der Nass- und Trockendeposition von Mineralstaub zur Verfügung stehen, die tägliche bzw. Ereignis-basierte Zeitauflösung und zudem Partikel-Größenauflösung bieten. Hieraus werden atmosphärische Schlüsselfaktoren abgeleitet, die zur Deposition führen. Weiterhin wird eine Partitionierung zwischen Nass- und Trockendeposition und ihr Größenverteilung von Nährstoffen - insbesondere P und Fe - untersucht. Partikel-Mischungszustand und Form werden durch ein Mischungsmodell und Bildanalyse bestimmt. Eine öffentliche Datenbank wird bereitgestellt, die z. B. für Modellvalidierung zu Verfügung steht. Es ist geplant, die Stationen nach Ende der DFG-Finanzierungphase weiter zu betreiben.

Total carbohydrates quantified in sediment cores from coastal vegetated ecosystems

50-cm deep sediment cores were taken in saltmarsh, seagrass, mangroves and unvegetated areas around the German Bight, Malaysia and Columbia in 2022 and 2023. Up to 3 points per ecosystem were sampled along a transect, in total 93 cores were analysed. Carbohydrates were sequentially extracted using MilliQ-water and 0.3 M EDTA for later analyses. The total carbohydrate content was assessed using the phenol-sulfuric acid assay (Dubois et al., 1956). Briefly, 100 µL of resuspended samples or extracts were mixed with 100 µL of 5% phenol solution, followed by the addition of 500 µL of concentrated sulfuric acid. The reaction mixture was incubated at room temperature for 10 minutes, then further incubated at 30°C for 20 minutes. Absorbance at 490 nm was measured using a Spectramax Id3 plate reader (Molecular Devices) and quantified against a glucose standard curve.

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