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Untersuchungen zum Stoffaustausch mit den Sedimenten im Grossen Mueggelsee

Der Mueggelsee hat 1988 eine Wende zu einer P-Quelle vollzogen. Er speichert nun nicht mehr rund 15 kgP/d, sondern gibt im Mittel 18 kgP/d ab. Aus den saisonalen Betrachtungen folgt, dass nicht nur die Freisetzungsvorgaenge im Sommer an Intensitaet gewonnen haben, sondern auch die Rueckhalteprozesse negativ beeinflusst worden sind. Aktuelle Abschaetzungen zum Rueckhalt von P und Fe ergaben, dass der Verlandungsprozess langsamer als bisher angenommen ablaeuft und dass das Gewaesser noch 1500 Jahre als See existiert. Aus pelagischen Bilanzen erhielten wir mittlere herbstliche P- Entzuege von ueber 20 mgP/Quadratmeter/d. Weil die Primaerproduktion im Herbst nicht die zum Entzug solch grosser P-Mengen notwendige Groesse erreicht, muessen auch Sorptions- und Faellungsprozesse an der P-Rueckfuehrung beteiligt sein. Die Quantifizierung von Sedimentation und Resuspension ist weiterhin durch das Fehlen einer zuverlaessigen Messmethode (Sedimentfallen) verhindert. Bisherige Quantifizierungsversuche zeigten, dass die Resuspension weder durch Messungen am Ufer, noch allein im zentralen Bereich zu erfassen ist, da es sich um recht kurzfristige Ereignisse handelt, die nur Teile des Sees stark beeinflussen.

Abrupte Veränderungen von Süßwasserökosystemen unter Einwirkung von multiplen Stressoren wie steigenden Temperaturen, Nährstoffen und Pestiziden

Flache Süßwasser-Lebensräume bieten wichtige Ökosystem-Funktionen, sind aber von multiplen Stressoren bedroht. Während die Reaktion auf den globalen Klimawandel wahrscheinlich eher graduell ist, sind abrupte Veränderungen möglich, wenn kritische Schwellenwerte durch zusätzliche Effekte lokaler Stressoren überschritten werden. Die Analyse dieser Effekte ist komplex, da Stressoren additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können. CLIMSHIFT zielt auf ein mechanistisches Verständnis von Stressor-Interaktionen, die auf flache aquatische Ökosysteme wirken. Diese sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, der großen Ufer-Grenzfläche und der Grundwasser-Konnektivität besonders anfällig für Klimaerwärmung und Stoffeinträge aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Primärproduzenten sowie assoziierten Konsumenten führen zum Auftreten stabiler Regime, und multiple Stressoren können nichtlineare Übergänge zwischen diesen Regimen auslösen, mit weitreichenden Folgen für entscheidende Ökosystemprozesse und -funktionen. Unsere Haupthypothese ist, dass erhöhte Temperaturen die negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Stoffeinträge, die Nitrat, organische Pestizide und Kupfer enthalten, verstärken. Submerse Makrophyten, Periphyton und Phytoplankton als Primärproduzenten werden kombiniert mit Schnecken, die Periphyton und Pflanzen fressen, sowie benthischen und pelagischen Phytoplankton-Filtriern, Dreissena und Daphnien. Wir testen unterschiedliche Expositionsszenarien auf zwei räumlichen Skalen, Mikrokosmen im Labor und Mesokosmen im Freiland, um Effekte auf individueller, gemeinschaftlicher und ökosystemarer Ebene zu verstehen. Während des gesamten Projekts werden die Experimente durch Modellierungen ergänzt, um kritische Schwellwerte zu simulieren und Stress-Interaktionen vorherzusagen. Die Modellentwicklung wird in Zusammenarbeit mit allen Arbeitspaketen durchgeführt, um empirische Ergebnisse zu integrieren, unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen zu verknüpfen und Ergebnisse zu extrapolieren. Wir erwarten, dass kombinierte Stressoren zu plötzlichen Verschiebungen der Gemeinschaftsstruktur führen. Submerse Makrophyten werden voraussichtlich durch Phytoplankton oder benthische Algen ersetzt, mit Konsequenzen für wichtige Ökosystemfunktionen. Die Stärke unseres Antrages liegt darin, dass ökotoxikologische Stressindikatoren der Organismen wie Wachstum und Biomarker mit funktionalen Gemeinschafts-/Ökosystemansätzen kombiniert werden, die den Metabolismus und die Dynamik des Ökosystems betrachten. Das kombinierte Know-how von 5 Laboren mit komplementärem Fachwissen und allen notwendigen Einrichtungen wird die spezifische Projektfähigkeit sicherstellen. Unsere Ergebnisse sollen dazu beitragen, safe operating spaces/sichere Handlungsräume für eine nachhaltige Landwirtschaft und das Management von flachen aquatischen Ökosystemen in einer sich verändernden Welt zu definieren.

Bedeutung von Chytridien-Parasitismus in Kohlenstofffüsse in pelagischen Nahrungsnetzen

Parasitismus bleibt in unserem Verständnis von Nahrungsnetzen praktisch vernachlässigt. Parasiten herstellen alternative trophische Verbindungen und können sich auf die Kohlenstoffübertragung im Nahrungsnetz auswirken. In aquatischen Ökosystemen führt die Dominanz von schlecht konsumierbarem Phytoplankton zu trophischen Engpässen, die als störend für Kohlenstoffflüsse angesehen werden. Die Infektion von Phytoplankton durch Pilzparasiten wurde vorgeschlagen, um solche Engpässe zu umgehen, indem unzugänglicher Kohlenstoff aus Algen den Zooplanktonkonsumenten als essbare Zoosporen zur Verfügung gestellt wird (Mycoloop). Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Chytrid-Infektion indirekt andere biotische Komponenten beeinflusst, was wiederum trophische Wechselwirkungen verändern kann. Die Verringerung der Phytoplanktongröße, die unter einer Chytrid-Infektion beobachtet wird, kann das Phytoplankton für Zooplankton genießbarer machen und dadurch den Kohlenstofftransfer zu den Konsumenten über die Herbivoren-Nahrungskette verbessern. Darüber hinaus führt ein erheblicher Anstieg der unter Infektionsbedingungen beobachteten Biomasse heterotropher Bakterien, die von den Verbrauchern genutzt werden können, zu der Hypothese, dass die Chytrid-Infektion den Kohlenstofftransfer durch den mikrobiellen Loop weiter fördert. Mit Hilfe eines künstlich zusammengesetzten Nahrungsnetzes, bestehend aus einem Chytrid-Cyanobakterium Wirtsparasiten-System, einem Zooplankton-Konsumenten und einer heterotrophen Bakteriengemeinschaft, sollen solche indirekten Effekte des Chytrid-Parasitismus auf Kohlenstoffflüsse empirisch untersucht werden. Das experimentelle Nahrungsnetz wird manipuliert, um einzelne Komponenten des Nahrungsnetzes auszuschließen, zu modulieren oder zu kombinieren und Szenarien der Anwesenheit und Abwesenheit von Infektionen zu vergleichen. Experimente werden durchgeführt, um die durch Parasiten vermittelten Effekte auf: i) die pflanzenfressende Nahrungskette zu ermitteln, indem auf Unterschiede in der Fähigkeit von Zooplankton, auf infiziertem und nicht infiziertem Phytoplankton zu verwerten, getestet wird, ii) den Mycoloop, indem sein Beitrag zum trophischen Transfer quantifiziert wird und sein Zusammenhang mit dem sich ändernden Infektionsgrad beschrieben wird, und iii) den mikrobiellen Loop, indem seine vermeintliche Verstärkung durch Chytrid-Infektion und seine möglichen synergistischen Effekte in Kombination mit kleinen Mycoloop-Beiträgen untersucht werden. Schließlich werden die experimentellen Daten genutzt, um ein Modell zu generieren, das erstmals sowohl direkte als auch indirekte Effekte der Chytrid-Infektion auf Nahrungsketten integriert. Dies wird unsere Vorhersagen über den trophischen Transfer in der Basis pelagischer Nahrungsnetze und die Auswirkungen von Parasitismus in großen Kohlenstoffkreisläufen in aquatischen Ökosystemen verbessern.

Winterliche Wachstumsbedingungen und Nahrungsökologie des Zooplanktons der eisbedeckten Ostsee

Weite Teile der nördlichen Ostsee sind im Winter für mehrere Monate von Meereis bedeckt. Wie in Arktis und Antarktis stellt das solegefüllte Kanalsystem im Eis den Lebensraum für eine diverse Flora und Fauna dar. Bereits im Februar beginnen die Eisalgen zu wachsen und hohe Biomassen im Eis aufzubauen. In den Polargebieten wird diese saisonal früh vorhandene und lokal hoch konzentrierte Nahrungsquelle von herbivoren, pelagischen Zooplanktern genutzt, die somit eine trophische Verbindung zwischen den beiden Lebensräumen Meereis und Pelagial herstellen. Auch in der Ostsee kommen v.a. Copepoden unter dem Meereis vor. Die Art Acartia biflosa reproduziert sogar während der Wintermonate, obwohl Temperatur und Algenbiomasse während der eisbedeckten Zeit in der Wassersäule sehr niedrig sind. Hieraus ergeben sich folgende Fragestellungen: 1. Welche biotischen und abiotischen Wachstumsbedingungen charakterisieren das baltische Untereis-Habitat? 2. Was sind die Energiequellen für die Entwicklung im Winter dominanter Arten? 3. Gibt es in der eisbedeckten Ostsee vergleichbare Prozesse wie in Arktis und Antarktis? Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erfassung der ökologischen Bedeutung des Meereises für die saisonalen Lebenszyklen und Überwinterungsstrategien des Zooplanktons der nördlichen Ostsee.

Struktur und Abundanz oligotropher Bakterien in Nord- und Südpolarmeer

Der Antarktische Ozean ist mit Chlorophyllgehalten von weniger als 0,3 my g per Liter und Primärproduktionsraten von weniger als 50 mg C pro m2 pro Tag extrem nährstoffarm oder ultraoligotroph. In den Wintermonaten mit kaum messbarer Photosynthese werden die biologischen Umsetzungen im Pelagial im wesentlichen von den Bakterien dominiert. So konnten obligat und fakultativ oligotrophe Bakterien als die dominante Population über den Gunnerus- und Astrid-Rücken im Antarktischen Ozean nachgewiesen werden. Sie machten hier mit etwa 10 Prozent der gesamten Bakterienzahlen einen beträchtlichen Anteil der kultivierbaren Bakterien aus. Der Arktische Ozean ist dagegen starken terrestrischen Einflüssen durch die Einträge größerer Wasserfrachten von sibirischen Flüßen ausgesetzt. Maximale Produktionsraten von 1320 mg pro m2 pro Tag wurden im Sommer in der Frobisher Bay, Kanada, gemessen. Die Chlorophyllkonzentrationen im Meerwasser schwankten in Abhängigkeit der Wassertiefe zwischen 0,22 und 1,4 my g pro Liter im nördlichen Foxe Basin, im östlichen Teil der kanadischen Arktis. Von 9 Stationen in der Framstraße und der westlichen Grönlandsee konnten obligat oligotrophe Bakterien nur an einer Station nachgewiesen werden. Die Abundanz und Struktur oligotropher Bakteriengemeinschaften in Nord- und Südpolarmeer soll nun mit klassischen und molekularbiologischen Methoden eingehender untersucht werden. Es wird erwartet, dass nach Anreicherung der oligotrophen Bakterien in der Dialysekammer durch den Einsatz der Laserpinzette und Einzelzellkultivierungen der Anteil und die Diversität der oligotrophen Isolate erheblich vergrößert werden können.

Gasblasen in aquatischen Ökosystemen: Entstehung, Dynamik und Bedeutung für Stofftransport

Gasblasen mit Grössen zwischen einigen Mikrometern bis Zentimetern sind allgegenwärtig in aquatischen Ökosystemen. Sie beeinflussen nicht nur die physikalischen Eigenschaften des Wassers, sie ermöglichen auch einen wichtigen Transportweg mit hoher Relevanz für globale biogeochemische Kreisläufe und das Klima. An der Luft-Wasser-Grenzfläche beschleunigen Blasen den Gasaustausch und beeinflussen damit den globalen Kohlenstoffkreislauf. Aus Sedimenten freigesetzte Blasen (Ebullition) sind ein wichtiger Transportweg für Methan in die Atmosphäre. Darüber hinaus transportieren Blasen nicht nur Gase, sondern auch Partikel, gelöste Stoffe und Bakterien auf ihren Oberflächen. Dieses Material, darunter Kohlenstoff, Nährstoffe und Schadstoffe, stammt aus den Sedimenten oder wurde während des Aufstiegs aus der Wassersäule entfernt. Trotz dieser potenziellen Bedeutung ist wenig über Gasblasen und ihre Eigenschaften in Süßwasserökosystemen bekannt, bestehendes Wissen basiert hauptsächlich auf Beobachtungen in marinen Systemen. In diesem Projekt untersuchen wir diejenigen Prozesse, welche das Vorkommen und die Eigenschaften von Gasblasen in Süßwasserökosystemen kontrollieren, sowie die Rolle der Blasen für den Transport von Gasen, gelösten Stoffen und Partikeln. Wir unterscheiden zwischen Luftblasen die an der Wasseroberfläche eingetragen werden, Blasen die durch Gasübersättigung in der pelagischen Zone entstehen, sowie Blasen die in Sedimenten gebildet werden. Wir gehen davon aus, dass diese drei unterschiedlichen Arten von Blasen unterschiedliche Eigenschaften haben. Auf der Grundlage von Feldmessungen und Laborexperimenten untersuchen wir die Entstehung, Alterung und das Schicksal dieser drei Arten von Blasen und der von ihnen transportierten Substanzen in unterschiedlichen aquatischen Systemen. Die Beobachtungen und Ergebnisse werden mit prozessbasierten Modellen verknüpft um einen theoretisch fundierten und empirisch validierten Rahmen für die Bewertung der Relevanz von Stofftransport durch Gasblasen in aquatischen Ökosystemen zu entwickeln. Dies erlaubt die Übertragung der Ergebnisse dieses Projekts auf eine Vielzahl von Fragestellungen in unterschiedlichen Bereichen der aquatischen Forschung, der Gewässerüberwachung und des Gewässermanagements.

Untersuchungen des Methan Paradoxons in Seen

Methan ist ein höchst potentes Treibhausgas, dennoch ist das globale Methanbudget durch die vielen unbekannten CH4-Quellen und -senken sehr unsicher. Die Höhe der CH4-Anreicherung in der Wassersäule hängt von komplexen Interaktionen zwischen methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien ab. Das bekannte Methan Paradoxon, das die CH4-Übersättigung im oxischen Oberflächenwasserkörper von Seen und Meeren darstellt, weckt Zweifel, dass die mikrobielle CH4-Bildung nur im anoxischen Milieu stattfindet. Im oligotrophen Stechlinsee haben wir eine wiederkehrende Methanübersättigung im Epilimnion gefunden. Unsere Studien zeigen, dass das CH4 aktiv in der oxischen Wassersäule produziert wird. Die Produktion scheint dabei an die autotrophe Produktion von Grünalgen und Cyanobakterien gekoppelt zu sein. Zur gleichen Zeit sind keine methanotrophen Bakterien im Epilimnion vorhanden, so dass das CH4 nicht oxidiert wird. Unsere Haupthypothese ist, dass pelagische Methanogene hydrogenotroph sind, wobei sie den Wasserstoff aus der Photosynthese und/oder Nitrogenaseaktivität nutzen. Unsere Untersuchungshypothesen sind:1) Die CH4-Produktion ist mit der Photosynthese und/oder N-Fixierung gekoppelt, wobei hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit den Primärproduzenten assoziiert sind. Die Methanogenen können angereichert und kultiviert werden, um Mechanismen der epilimnischen CH4-Produktion detailliert zu untersuchen.2) Die CH4-Oxidation ist durch die Abwesenheit der Methanotrophen und/oder der Photoinhibition in den oberen Wasserschichten reduziert.3) Die CH4-Produktion innerhalb mikro-anoxischer Zonen, z. B. Zooplankton und lake snow, ist nicht ausreichend für die epilimnische CH4-Produktion.Die saisonale Entwicklung des epilimnischen CH4-Peaks soll in Verbindung mit den Photoautotrophen und der Seenschichtung im Stechlinsee untersucht werden. Dabei soll eine neu-installierte Mesokosmosanlage (www.seelabor.de) genutzt werden, um CH4-Profile bei unterschiedlichen autotrophen Gemeinschaften und Seenschichtungen zu studieren. Die Verknüpfung zwischen methanogenen Archaeen und den Photoautotrophen soll in Inkubationsexperimenten mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und qPCR für funktionelle Gene untersucht werden. Methanotrophe werden quantifiziert und die Photoinhibition der CH4-Oxidation durch Inkubationsexperimente gemessen. In Laborexperimenten sollen die methanogenen Archaeen angereichert und kultiviert werden mittels dilution-to-extinction und axenischen Cyanobakterien und Grünalgen. Physiologische Studien an Anreicherungs- oder Reinkulturen sollen die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen ermitteln. Feld- und Laborexperimente sollen helfen, das Methan Paradoxon zu entschlüsseln, um die bisherige und potentiell wichtige CH4-Quelle zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Studien sollen helfen, unser Verständnis des globalen CH4-Kreislaufes zu verbessern, damit zukünftige Prognosen realistischer werden.

Einfluss der Durchmischungstiefe auf Zooplankton-Phytoplankton Interaktionen im Pelagial

Der Großteil der Primärproduktion in Seen erfolgt in der durchmischten Oberflächenschicht, deren Tiefe saisonal und geographisch stark variiert. Eine Verringerung der Tiefe dieser Schicht (=Durchmischungstiefe) erhöht die durchschnittliche Lichtversorgung des Phytoplanktons, und somit meist auch die spezifische Primärproduktion. Laborarbeiten zeigen, dass derart erhöhte Primärproduktion nicht immer in der Nahrungskette nach oben weitergegeben wird. Verbesserte Lichtversorgung verschiebt oft die elementare Zusammensetzung der Algenbiomasse in Richtung hoher C:P-Quoten, was die Futterqualität der Algen für das herbivore Zooplankton herabsetzt. Unter Laborbedingungen kann eine Erhöhung der Lichtversorgung sogar die paradoxal anmutende Verringerung der Zooplanktonproduktion bewirken. Unter welchen Umständen dieses Phänomen im Freiland auftreten kann ist gänzlich unerforscht. Wir beabsichtigen, die Einflüsse der Durchmischungstiefe auf die Dynamik von Zooplankton, Phytoplankton, Nährstoffen und Licht in kontrollierten Freilandexperimenten zu untersuchen. Besonders berücksichtigt werden dabei die modulierenden Einflüsse des Nährstoffgehaltes des Wassers. und von tagesperiodischen Wanderungen des Zooplanktons zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser. Die Experimente orientieren sich an Voraussagen eines dynamischen Modells, welches im Laufe des Projektes weiterentwickelt werden soll. Da die Durchmischungstiefe klimatisch beeinflusst ist, können die gewonnenen Erkenntnisse zur Abschätzung der Folgen globaler Klimaveränderungen für den Stoff- und Energiehaushalt von Seen beitragen.

Auswirkungen physikalisch-ozeanographischer Extremereignisse auf Ökosystemdienstleistungen im Elbe-Ästuar-Küstensystem, Vorhaben: Szenario-Studien als Grundlage von Ökosystem-Risiken

Aktionsprogramm Natürlicher Klimaschutz (ANK), Innovatives Monitoring pelagischer Habitate zur Einschätzung ihrer Ökosystemfunktion im sich wandelnden Klima - Teilvorhaben 1

Marine Ökosysteme sowie das Sediment am Meeresboden binden auf natürliche Weise Kohlenstoff aus der Atmosphäre und fungieren als CO2-Senken und -Speicher. Die Mechanismen, die dieser Speicherung zugrunde liegen, sind bisher wenig untersucht. Somit muss das Grundverständnis, dass Meeresschutz auch Klimaschutz ist, in den nächsten Jahren fachlich detailliert untermauert werden. Die pelagischen Habitate haben dabei eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie bilden die Grundlage des Nahrungsnetzes und unterstützen damit alle höheren trophischen Ebenen bei der Bindung von Kohlenstoff. Das Verständnis der komplexen im Pelagial ablaufenden Prozesse steht in der Nordsee erst am Anfang. Es gilt daher, die Rolle pelagischer Habitate bei Umsetzung, Bindung und Transports von Kohlenstoff in die Tiefe zur langfristigen Speicherung besser zu verstehen, um letztendlich die Meeresschutzmaßnahmen so auszurichten, dass die pelagischen Habitate diese Rolle optimal erfüllen können. Um den Zustand pelagischer Habitate zu bewerten und deren Rolle im natürlichen Klimaschutz einzuschätzen, sind Monitoringdaten sowie adäquate Indikatoren essentiell. Die Monitoringdaten müssen in hoher Frequenz gewonnen werden, da das Plankton schnellen saisonalen Veränderungen unterliegt. Für die deutschen Nordseegewässer liegt ein erster innovativer Monitoringkonzept vor, das noch weiter erprobt werden muss und sich an den bereits bei OSPAR etablierten Indikatoren für die Bewertung von pelagischen Habitaten wie auch deren Funktion im Kohlenstoffkreislauf orientiert. Übergeordnetes Ziel des Projektes ist die Ausarbeitung einer adäquaten und kostengünstigen Monitoringstrategie, die in-situ Probenahmen sinnvoll mit innovativen Monitoringmethoden wie automatischen Samplern, Satelliten- und FerryBoxdaten, DNA-Analyse sowie Bildaufnamen kombiniert und so die Beurteilung der Rolle von pelagischen Habitaten im Zusammenhang mit der Eutrophierung im natürlichen Klimaschutz ermöglicht. Das Monitoringkonzept muss dabei kostengünstig sein, zeitgleich aber eine zuverlässige und raumzeitlich hinreichende Erfassung des Artenspektrums des Phyto- und Zooplanktons gewährleisten. Im Rahmen des Vorhabens sollen einerseits herkömmliche Methoden zur Erfassung der Phyto- und Zooplanktongemeinschaften zur Anwendung kommen, welche praktische Probenahmen auf See sowie die mikroskopische Analyse der genommenen Proben umfassen. Die Probenahmen werden dabei auf BSH-Schiffen im Rahmen des chemischen Monitorings des BSH durchgeführt. Die Auswertung der Proben wird an spezialisierte Labore vergeben. Außerdem sollen unterschiedliche innovative Methoden getestet und bewertet werden. Für das Metabarcoding wird ebenfalls die o.g. Probenahme auf See benötigt. Bei den anderen Methoden wird auf Daten Dritter bzw. Kooperationen mit anderen Instituten zurückgegriffen. Eine Literaturrecherche soll dabei helfen, die erhaltenen Ergebnisse im Kontext anderer Untersuchungen zu Auswirkung des Klimawandels auf das Pelagial einzuordnen.

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