Räuber-Beute-Beziehungen zwischen Bakterien und ihren eukaryotischen Räubern werden seit langem in der terrestrischen Ökologie untersucht, jedoch werden die Interkationen zwischen Mikroeukaryoten oft vernachlässigt. Mikroalgen nehmen eine Schlüsselposition als phototrophe Organismen in den marinen und Süßwasserökosystemen der Antarktis und Arktis ein; die meiste Energie und die meisten Nährstoffe werden durch diese zu höheren trophischen Ebenen kanalisiert. In diesem Kontext fehlen Studien in den terrestrischen Ökosystemen der Antarktis. Die terrestrische Vegetation der Antarktis wird dominiert durch kryptogamen Bewuchs mit einer Vielzahl und hoher Abundanz von Mikroalgen. Bis zu 55% des eisfreien Bodens der antarktischen Halbinsel und bis zu 70% im arktischen Spitzbergen werden von biologischen Bodenkrusten (Biokrusten) bedeckt. Diese Zahlen werden zukünftig auf Grund des Klimawandels und der daraus folgenden Erwärmung der Polarregionen steigen (“Arctic Greening”). Man kann daher annehmen, dass ein großer Anteil der Primärproduktion in den Polarregionen durch Mikroalgen in Biokrusten realisiert wird. Dennoch fehlt die Verbindung zu höheren trophischen Ebenen; insbesondere, wenn man bedenkt, dass in der Antarktis algenfressende Metazoen selten und artenarm sind. Cercozoa sind eine der häufigsten algenkonsumierenden einzelligen Eukaryoten (Protisten) in terrestrischen Systemen; vorläufige Ergebnisse zeigen: algenkonsumierende Cercozoa dominieren die mikrobielle Gemeinschaft in den Biokrusten der Polarregionen. Wir werden zum ersten Mal die Räuber-Beute-Beziehung in Biokrusten zwischen den Algen als Primärproduzenten und den wichtigsten Algenkonsumenten erforschen, um so ein vollständigeres Bild des terrestrischen Nahrungsnetzes in den beiden Polarregionen zu erhalten. Um das zu erreichen, kombinieren wir einen Barcode-basierten Hochdurchsatz-Illumina Ansatz mit klassischen Kulturexperimenten, welche Aufschluss über ökologische Funktionen der einzelnen Organismen liefern. Damit erhalten wir erstmalig ein umfassendes Bild der Räuber-Beute-Beziehung zwischen Mikroalgen und ihren Räubern, den Cercozoa, für das terrestrische Ökosystem in Arktis und Antarktis. Diese Daten werden zur Beantwortung der folgenden Fragen beitragen: Wie wichtig ist das terrestrische Nahrungsnetz in den Polarregionen? Und hat die Klimaerwärmung das Potential diese Interaktionen zu verändern?
Terrestrial green algae and cyanobacteria are typical and abundant components of biological soil crusts in the Polar Regions. These communities form water-stable aggregates that have important ecological roles in primary production, nitrogen fixation, nutrient cycling, water retention and stabilization of soils. Although available data on green algae and cyanobacteria are generally very limited for the Arctic and Antarctica, their functional importance as ecosystem developers in nutrient poor environments is regarded as high. Therefore, the main goal of the interdisciplinary project is, for the first time, a precise evaluation of their 1.) Biodiversity as well as of 2.) The infra-specific genetic diversity, 3.) ecophysiological performance and 4.) transcriptomics of the most abundant taxa in biological soil crusts isolated from the Antarctic Peninsula and Arctic Svalbard. Biodiversity will be investigated using a classical culture approach in combination with molecular-taxonomical methods as well as with metagenomics. The infra-specific genetic diversity of the most abundant green algae and cyanobacteria will be studied using fingerprinting techniques, and a range of selected populations characterized in relation to their physiological plasticity. Temperature and water availability, two key environmental factors for terrestrial organisms, are currently changing in Polar Regions due to global warming, and hence their effect on growth and photosynthesis response patterns will be comparatively investigated. The data will indicate whether and how global change influence population structure and ecological performance of key organisms in polar soil crusts, and help to make predictions on the future significance of the ecological functions of these pioneer communities. Such a multiphasic approach has never been applied before to soil algae and cyanobacteria in both Polar Regions, and hence represents one of the key innovations of this proposal.
Veranlassung Die aktuellen, trockenen Jahre haben gezeigt, dass an den Bundeswasserstraßen im Binnenland und den Ästuaren in Zeiten des Klimawandels wieder vermehrt mit Eutrophierungs-Phänomenen zu rechnen ist. Das Fischsterben in der Oder, ausgelöst durch das verstärkte Wachstum der Alge Prymnesium parvum und der von ihr gebildeten Toxine, die mittlerweile regelmäßig auftretenden Cyanobakterienblüten an der Mosel oder auch die wieder verstärkt auftretende Sauerstoffproblematik in vielen Fließgewässern wie z. B. der Elbe sind die prominentesten Beispiele dieser Entwicklung (Abb. 1). Nicht nur in den Medien, der Öffentlichkeit und in der nationalen und internationalen Politik, auch bei den verwaltenden Behörden wie den Landesämtern oder der Wasserstraßen und Schifffahrtsverwaltung des Bundes erregt dieses Thema große Aufmerksamkeit und Besorgnis. Eutrophierung ist eines der zentralen Wasserqualitätsprobleme, die in der Nationalen Wasserstrategie der Bundesregierung benannt werden. Ihre Vermeidung, insbesondere im Ästuar- und Küstenbereich, ist „Vision“ der Nationalen Wasserstrategie und entspricht dem nationalen Umweltziel 1 aus der Umsetzung der Europäischen Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie. Die Gründe für diese Eutrophierungsphänomene liegen in den ungewöhnlich langen, trockenen und warmen Wetterperioden in den Frühjahrs- und Sommermonaten der vergangenen Jahre. Diese führen nicht nur zu einem Anstieg der Wassertemperatur und ausreichender Lichtverfügbarkeit, auch der Abfluss in den Bundeswasserstraßen nimmt ab, während die Aufenthaltszeit des Wassers gerade in staugeregelten Bereichen ansteigt. All diese Faktoren sind wachstumsfördernd für Algen und Cyanobakterien. Durch den geringen Abfluss werden zudem eingeleitete Substanzen nicht mehr ausreichend verdünnt. Im Falle der Oder führten durch den Bergbau eingeleitete Salze erst dazu, dass die Brackwasseralge Prymnesium parvum ein ideales Habitat vorfand. Es besteht daher starker Bedarf, solche Kipppunkte von Gewässern frühzeitig zu erkennen und über ein Monitoringprogramm im Krisenfall die Handlungsfähigkeit der zuständigen Behörden zu verbessern. Dazu ist es zunächst notwendig, das Potenzial der Bundeswasserstraßen für die Massenentwicklung von schädlichen Algen und Cyanobakterien zu evaluieren und damit zu klären, an welchen Bundeswasserstraßen das Risiko für schädliche Algenblüten besteht. Es gibt verschiedene Algen, andere Protisten und Cyanobakterien, die das Potenzial schädlicher Auswirkungen auf das Ökosystem und die menschliche Gesundheit haben. Die Nischen oder Habitate, in denen diese Arten vorkommen sind zwar begrenzt, es ist jedoch nachgewiesen, dass durch den Menschen verursachte Phänomene (Klimawandel, Einleitung von Nährstoffen und Salzen) die Ausbreitung schädlicher Algen befördern und es dadurch zu massenhaften Entwicklungen dieser kommt. Es ist nicht bekannt, in welchen der Bundeswasserstraßen mögliche Habitate für diese schädlichen Organismen derzeit bestehen oder auch in Zukunft unter einem Klimawandelszenario entstehen könnten. Diese Lücke soll in diesem Projekt geschlossen werden. Ziele - Identifizierung der TOP10 HABs (engl. „Harmful Algae Blooms“ = schädliche Algenblüten), also der 10 Arten, die am wahrscheinlichsten in großen Fließgewässern eine schädliche Algenblüte bilden und Charakterisierung ihrer Umweltanforderungen - Erstellung und Veröffentlichung von Steckbriefen der TOP10 HABs - Zusammenstellung von Umweltdaten für eine Risikoanalyse schädlicher Phytoplankton-Massenentwicklungen - Analyse des trophischen Potenzials der Bundeswasserstraßen, d. h. der theoretischen Möglichkeit für eine Phytoplankton-Massenentwicklung in den Bundeswasserstraßen.
In Nahrungsnetzen kontrollieren sowohl bottom-up (Ressourcen) als auch top-down Faktoren (Fraß durch höhere trophische Ebenen) die Biomasse intermediärer Stufen wie z. B. benthischer Algen (Periphyton). Die Wichtigkeit beider Mechanismen konnte gezeigt werden; allerdings scheint die Stärke der top-down Kontrolle in verschiedenen natürlichen Systemen stark zu variieren und die Faktoren, welche die Stärke der top-down Kontrolle bestimmen, sind bisher nur unzureichend verstanden. Die zentrale Hypothese dieses Projekts ist, dass die Stärke der top-down Kontrolle durch die Nahrungsqualität der Algen bestimmt wird, die ihrerseits durch die Allokation essentieller Ressourcen (wie Licht und Nährstoffe) beeinflusst wird. Insbesondere in räumlich gegliederten Gemeinschaften wie Periphyton zeigt die Nahrungsqualität eine große räumliche Heterogenität. Zusammen mit davon abhängigen dynamischen Verhaltensanpassungen der Herbivoren ist dies vermutlich besonders wichtig für die Kontrolle der Biomasseentwicklung des Periphytons, wenngleich diese Faktoren bisher nicht ausreichend untersucht wurden. In diesem Projekt untersuchen wir diese Hypothese auf verschiedenen Skalen und Komplexitätsstufen, sowohl in hochkontrollierten Laborexperimenten, als auch in freilandnahen Mesokosmosexperimenten. Dies umfasst die lokale, homogene Patchgröße, die komplexere Multi-Patch-Ebene mit räumlicher Heterogenität und der Möglichkeit zur Futterwahl für die Herbivoren bis hin zu hochkomplexen Szenarien unter Berücksichtigung von Wachstum und Migrationsverhalten der Herbivoren in Mesokosmosexperimenten. Auf diesen Komplexitätsstufen wird die Ressourcenverfügbarkeit (des limitierenden Nährstoffs P und Lichtenergie) experimentell manipuliert und die Kontrolle der Periphytonbiomasse durch Herbivorie auf zwei Wegen quantifiziert: a) als Biomasseflux zwischen Algen und Herbivoren und b) als Reduktion der Periphytonbiomasse durch Weidegänger im Vergleich zu konsumentenfreien Kontrollansätzen. Insgesamt wird dieses Projekt zeigen, welche Mechanismen die Stärke der top-down Kontrolle auf das Periphyton regulieren und wird dazu beitragen, die Kontrolle der Eutrophierung natürlicher Oberflächengewässer besser zu verstehen.
Pilzparasiten auf Phytoplankton sind ubiquitär und stellen eine integrale Komponente aquatischer Ökosysteme dar. Trotz zunehmender Hinweise, dass diese parasitischen Pilze eine wichtige Rolle für verschiedenste Ökosystemfunktionen spielen - via top-down Kontrolle von Phytoplanktonblüten und alternativen Kohlenstoff- und Nährstoffflüssen - sind sie noch immer stark vernachlässigt und wenig erforscht. Insbesondere methodische Gründe sind dafür verantwortlich, so sind sie morphologisch schwierig zu identifizieren und werden daher häufig übersehen. Neuerdings zeigen Untersuchungen von Umwelt-DNA eine unerwartet hohe Diversität von meist noch nicht beschriebenen Pilzen in aquatischen Ökosystemen. Ein bedeutender Teil dieser noch unbekannten Sequenzen gehört zu den parasitischen Pilzen auf Phytoplankton. Bis heute bleiben diese jedoch noch weitgehend unsichtbar für mikrobielle Ökologen, da sie bisher nur einen kleinen Anteil der beschriebenen Arten von parasitischen Pilzen auf Phytoplankton in den Sequenzdatenbanken ausmachen. Daher, ist die Hauptaufgabe dieses Projektes, diese Lücke zwischen morphologischen und molekularen Studien mit klassischen Kultivierungsverfahren und kultivierungsunabhängigen modernen Ansätzen zu überbrücken. Dies erlaubt der Umweltgenomik, einen direkten Zugang zu taxonomischem Wissen, das während mehr als einem Jahrhundert generiert wurde. Ferner wird die Verbindung von Diversitäts- und Funktionsanalyse aquatischer Pilze ermöglicht. Die phylogenetische Integration dieser bisher stark vernachlässigten Gruppe parasitischer Pilze auf Phytoplankton wird einen wichtigen Beitrag darstellen, um die evolutionären Schlüsselereignisse der basalen Pilze an der Wurzel des Pilzstammbaumes zu verstehen. Die zweite Aufgabe soll sein, unser Wissen zu den ökophysiologischen Eigenschaften der Phytoplankton-Pilz-Interaktionen zu entschlüsseln. Zusätzlich erlaubt das einzigartige Set von Modellsystemen, physiologische Experimente durchzuführen, die die Bedeutung von Temperatur und Licht auf die Interaktion von wohl-definierten Phytoplankton-Pilzkulturen beleuchten und die taxonomische sowie ökologische Variabilität (Spezialist vs. Generalist) untersuchen. Diese Studien werden wichtige, bisher noch fehlende Grunddaten bzgl. Taxon-spezifischen und Trait-abhängigen physiologischen Antworten von Phytoplankton-Pilz Interaktionen liefern. Solche Daten sind sehr wichtig, um jetzige und zukünftige Vorhersagen von Pilzinfektionen und ihren Auswirkungen auf die Phytoplanktondynamik sowie auf die des gesamten Nahrungsnetzes im Zusammenhang mit den momentanen globalen Veränderungen zu verbessern.
Auffaellige Phaenomene der letzten Jahre (Phaeocystis-Blueten mit Schaumbildung am Strand, Rote Tiden durch Dinoflagellaten und Mesodinium rubrum, Miesmuschelvergiftungen durch Dinophysis, Massensterben in Skagerrak und Kattegat in Folge einer Chrysochromulina-Bluete) fuehrten 1987 zur Einrichtung eines Informationssystems, das ueber die aktuelle Planktonsituation berichtet. Von April bis Oktober werden im 14-taegigen Rhythmus an 10 Stationen entlang der niedersaechsischen Kueste Wasserproben entnommen. Sie werden auf toxische und bluetenbildende Organismen hin kontrolliert. Ferner werden die Gehalte an Pflanzennaehrsalzen, Sauerstoff, Schwebstoff und Chlorophyll ermittelt. Die Ergebnisse werden dem Niedersaechsischen Umweltministerium sowie den mit der Fischerei befassten Behoerden gemeldet.
Das tropische Südostafrika ist eine Region, die stark von hydroklimatischen Veränderungen im Zuge der globalen Erwärmung betroffen sein wird, wobei deren Ausprägung und sozio-ökonomische Konsequenzen allerdings noch weitestgehend unverstanden sind. In diesem Zusammenhang bietet die Untersuchung regionaler Veränderungen in Hydroklima und Vegetation während des letzten Interglazials, eines durch höhere Temperaturen als heute gekennzeichneten Zeitabschnitts, die Möglichkeit, wichtige Einblicke hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung in der Region zu gewinnen. Darüber hinaus umfasst das letzte Interglazial auch eine wichtige Phase in der Entwicklungsgeschichte des Menschen, die Migration der ersten modernen Menschen aus Afrika hinaus. Obwohl das letzte Interglazial also einen bedeutenden Zeitabschnitt für Südostafrika darstellt, sind die Kenntnisse über die Variabilität des regionalen Hydroklimas, die zugrundeliegenden Antriebsmechanismen und die Konsequenzen für die Migration des modernen Menschen noch weitestgehend unerforscht. Im Rahmen dieses Projekts sollen marine Sedimente von der IODP Site U1477 in der Straße von Mosambik untersucht werden, um Veränderungen des Hydroklimas und der Vegetation im tropischen Südostafrika während des Zeitraums zwischen ca. 150.000 und ca. 70.000 Jahren vor heute zu rekonstruieren. Dazu werden die Verhältnisse stabiler Wasserstoff- (delta D) und Kohlenstoffisotope (delta 13C) von langkettigen n-Alkanen (n-C27 bis n-C33) in den marinen Sedimenten gemessen. Diese n-Alkane sind Bestandteile der Blattwachse von Landpflanzen und werden über den nahen Sambesi in den Ozean eingetragen. Da das delta D-Verhältnis der n-Alkane hauptsächlich dem des regionalen Niederschlags entspricht, welches wiederum von der Niederschlagsmenge abhängig ist, kann es zur Rekonstruktion hydroklimatischer Veränderungen im Einzugsgebiet des Sambesi in der Vergangenheit benutzt werden. Das delta 13C-Verhältnis wiederum erlaubt die Rekonstruktion von Veränderungen im Verhältnis von C3- (z.B. Bäume) und C4-Pflanzen (z.B. Gräser), da diese sich signifikant in ihrem delta 13C-Verhältnis unterscheiden. Darüber hinaus wird auch die Konzentration der zweifach- und dreifach ungesättigten Homologe des langkettigen Alkenons n-C37 in den Sedimenten analysiert. Diese organischen Verbindungen werden von Haptophyten, marinen Algen, gebildet und da ihr Verhältnis, auch als UK'37-Index bekannt, von der Oberflächentemperatur des Ozeans zur Zeit des Algenwachstums abhängig ist, kann es zur Rekonstruktion von Veränderungen der Oberflächentemperatur im südwestlichen Indischen Ozeans in der Vergangenheit genutzt werden. Der Vergleich dieser Datensätze mit anderen regionalen und globalen Klimaarchiven wird neue Erkenntnisse bezüglich hydroklimatischer Veränderungen in Südostafrika während des letzten Interglazials und ihrer Antriebsmechanismen als auch hinsichtlich ihres Einflusses auf die Migration der ersten modernen Menschen liefern.
Die vorgeschlagene Arbeit soll die Rolle der unterschiedlichen Quellen von gelöstem Stickstoff in der Nahrung der Algenarten, von denen bekannt ist, dass sie große Blüten formen, untersuchen. Vier Arten der Gattung Prymnesiophyta werden unter Stickstofflimitierung kultiviert, mit verschiedenen Quellen des gelösten organischen Stickstoffes (DON), um die Auswirkungen der Stickstofflimitierung auf die Stockstoffaufnahme und -nutzung zu untersuchen. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass Stickstofflimitierung unterschiedliche Wege der N-Aufnahme und -Nutzung induziert, die Wachstum mit DON erlauben. Phytoplanktonkulturen werden mit einfachen (Amino Säuren, Purin und Pyrimidine) und komplexen Quellen von DON ernährt um Wachstumsraten mit DON als alleiniger Quelle des Stickstoffes festzustellen. Enzymaktivität für Urease- und Aminosäureoxydasen werden gemessen, da es wahrscheinlich ist, dass diese beiden Enzyme in Zellen, die Stickstofflimitierung ausgesetzt sind, gebildet werden. Eine Reihe von Ansätzen werden verwendet, um spezifische Proteine zu identifizieren, die mit Stickstofflimitierung und/oder der Nutzung von DON in Verbindung zu bringen sind. Diese Ansätze umfassen die Markierung der Zelloberfläche mit biotinylhaltigen Reagenzien und zellulare Fraktionierung in cytoplamische- und Membranbereiche. Proteine, die nur bei Stickstofflimitierung und Anwendung von DON vorkommen, werden gereinigt und beschrieben. Antikörper dieser Proteine werden synthetisiert und als Sonden zur Identifizierung von Nutzung von DON, durch diese wichtige Gruppe von den Algen verwendet. Perspektivisch sollen diese Sonden auf natürliche Phytoplanktonpopulationen angewendet werden.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 1602 |
| Europa | 45 |
| Land | 170 |
| Schutzgebiete | 1 |
| Weitere | 64 |
| Wirtschaft | 2 |
| Wissenschaft | 567 |
| Zivilgesellschaft | 24 |
| Type | Count |
|---|---|
| Chemische Verbindung | 2 |
| Daten und Messstellen | 425 |
| Ereignis | 24 |
| Förderprogramm | 1077 |
| Gesetzestext | 1 |
| Hochwertiger Datensatz | 1 |
| Kartendienst | 5 |
| Sammlung | 2 |
| Taxon | 14 |
| Text | 201 |
| unbekannt | 100 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 644 |
| Offen | 1173 |
| Unbekannt | 29 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 1625 |
| Englisch | 336 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 31 |
| Bild | 24 |
| Datei | 441 |
| Dokument | 128 |
| Keine | 944 |
| Unbekannt | 14 |
| Webdienst | 5 |
| Webseite | 383 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 1346 |
| Lebewesen und Lebensräume | 1846 |
| Luft | 1166 |
| Mensch und Umwelt | 1821 |
| Wasser | 1505 |
| Weitere | 1762 |