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WRRL: Ökologischer Zustand OWK 2022-2027 - Phytoplankton

Nach Anlage 4 OGewV sind für die Bewertung des ökologischen Zustands vier biologische Komponenten heranzuziehen: hier Bewertung Phytoplankton

Analyse des Artenspektrums, der Artenverteilung und der Entwicklung des Phytoplanktons im Ober- und Untersee

Es wird die Zusammensetzung des Artenspektrums des Bodensees untersucht, die Artenverteilung und die raeumliche Entwicklung der Artenzusammensetzung. Je nach Entwicklungsstand werden in Abstaenden von 10-30 Tagen Proben aus der Wassertiefe von 1-10 m entnommen. Die Planktonproben werden nach Fixierung am umgekehrten Mikroskop ausgezaehlt. Es wurde eine Artendokumentation angelegt, die zur Zeit ca. 120 Algenarten enthaelt. Besondere Beachtung sollen kuenftig die sogenannten my-Algen finden, die in den bis jetzt bekannten Untersuchungen kaum beruecksichtigt wurden. Das Vorhaben gliedert sich in zwei Unterabteilungen; 1. Es wird das Phytoplankton des Bodensee-Pelagials untersucht. An sieben Messpunkten, die auf einer gedachten Laengsachse durch den Bodensee liegen, werden Proben entnommen. 2. Es werden die Zusammenhaenge zwischen Phytoplanktonentwicklung in Ufernaehe und im Freiwasser untersucht. Dazu werden aus zwoelf Stellen, die ueber das gesamte Bodenseeufer verteilt sind, Proben entnommen.

Untersuchungen zur Rolle verschiedener Eisenquellen für die biologische Produktivität im Ozean mittels eines globalen Modells der Eisenisotopie

Eisen ist ein essenzieller Mikronährstoff für marine Organismen. Die Eisenverteilung im Ozean beeinflusst die Primärproduktion von Phytoplankton und dadurch die Aufnahme von Kohlendioxid im Ozean stark. Während wir langsam ein genaueres Bild der gegenwärtigen globalen Verteilung von gelöstem Eisen im Ozean bekommen, besteht noch kein Konsens in den Mechanismen, die diese Verteilung steuern, und vor allem in der Rolle der verschiedenen externen Eisenquellen für den Ozean (z.B. Eintrag durch Staub, aus Meeressedimenten, hydrothermalen Quellen und Flüssen). Einige dieser Quellen (z.B. Staubdeposition) werden sich stark mit dem laufenden Klimawandel ändern, andere, etwa der Eintrag aus Hydrothermalquellen, nicht. Wegen der Unsicherheit darüber, wie relevant die spezifischen Quellen sind, sind daher Vorhersagen zum zukünftigen Eisenkreislauf und damit zur Veränderung der Primärproduktion als Folge des Klimawandels stark erschwert.Eine neue Methode, die Rolle der verschiedenen Eisenquellen zu untersuchen, ist die Analyse der stabilen Isotopenzusammensetzung von gelöstem Eisen im Ozean. Da die verschiedenen externen Quellen von Eisen je unterschiedliche Isotopenverhältnisse haben, kann die Isotopenzusammensetzung von Eisen im Ozean im Prinzip verwendet werden, um die relativen Beiträge der verschiedenen Quellen zu erschließen. Allerdings wirken sich auch Prozesse im Inneren des Ozeans, die Eisen zwischen seinen verschiedenen Formen (gelöstes Eisen, abiotische und biologische Partikel, Redoxzustände) umwandeln, auf die Isotopenzusammensetzung aus, d.h. sie fraktionieren. Dazu kommt die Vermischung der Isotopenzusammensetzung durch physikalische Prozesse (Transport mit der Strömung und Diffusion). Die Interpretation von Eisenisotopendaten im Ozean erfordert daher die Kombination von Beobachtungen mit einem Modell des Eisenkreislaufs im Ozean. In dem beantragten Projekt wird ein globales biogeochemisches Modell von Eisen um eine explizite Darstellung von Isotopeneffekten erweitert, mit dem Ziel, die Rolle der verschiedenen Prozesse zu entschlüsseln, die die Isotopenzusammensetzung von gelöstem Eisen im Ozean beeinflussen. Das globale biogeochemische Modell basiert auf meinen früheren Arbeiten. In Kombination mit der weiter stattfindenden Zunahme von Eisenisotopenmessungen im Rahmen des internationalen GEOTRACES Programmes ermöglicht das Modell eine bessere Quantifizierung der Größe und der relativen Rolle der externen Eisenquellen für die Gegenwart und somit auch robustere Prognosen der zukünftigen marinen Primärproduktion.

Kurzzeitdynamik des Sediment-Phytoplankton-Nährstofftransports in Flachgewässern

Algenblüten stellen eines der Hauptprobleme für die Wasserqualität vieler Seen und Küstengewässer dar. Trotz der Reduzierung externer Nährstoffeinträge treten sie wiederholt auf. Der Hauptgrund dafür wird in der pulsartigen Freisetzung von Nährstoffen, die in den Sedimenten der betroffenen Gewässer angereichert sind, gesehen. Daten zur Kinetik solcher Nährstoffpulse (Ursachen, Mengen) liegen aber kaum vor und die unmittelbaren Effekte auf das Phytoplankton sind bislang unerforscht. Das liegt vor allem daran, dass Methoden für zeitlich hochauflösende in-situ-Messungen erst in den vergangenen Jahren in größerem Umfang verfügbar wurden. Ihr Einsatz ist sehr arbeitsaufwändig und nur in begrenztem Zeitrahmen realisierbar. Dennoch gibt es in der Fachliteratur zahlreiche Beispiele für pulsartige Nährstofffreisetzungen (NSF), die im Rahmen von Monitoringprogrammen dokumentiert wurden. Dabei handelt es sich meist um sprunghafte Erhöhungen von Nährstoffkonzentration nach plötzlicher Änderung der Redox-Bedingungen in Folge von Sauerstoffmangel. Es ist zu erwarten, dass solche pulsartigen NSF-Ereignisse im Zuge des Klimawandels häufiger auftreten werden, da die Schichtung von Gewässern unter höheren Temperaturen länger anhalten und damit das Risiko für das Auftreten von Sauerstoffmangel ansteigen wird. Die Auswirkungen von NSF auf das Phytoplankton sind sehr wahrscheinlich erheblich, weil sein Wachstum in den Sommermonaten oft durch Nährstoffmangel (N, P, Fe) begrenzt ist. Das Ziel des vorliegenden Projekts ist es, Kurzeiteffekte auf das Phytoplankton (Artenzusammensetzung und physiologische Reaktionen, inklusive Art-spezifischer Reaktionen) unter in-situ-Bedingungen zu analysieren und daraus allgemeingültige Konzepte bezüglich der Trigger- und der Responsevariablen abzuleiten. Die Messungen werden in einem flachen Süß- und einem flachen Brackwassersystem mit einer Kombination aus neuartigen, hochauflösenden nasschemischen Sensoren (P), UV-Sensoren (C, N) und Methoden zur Charakterisierung der Phytoplanktonphysiologie (in-situ-Flow Cytometry, Gasaustauschmessungen und verschiedene Pulse-Amplitude-Modulated [PAM]-Fluorometer) durchgeführt. Im Mittelpunkt stehen die Verifizierung der Ursachen sowie die Quantifizierung der kinetischen Parameter (Dauer und Amplitude) von pulsartigen NSF in Kombination mit der quantitativen Erfassung der Auswirkungen auf Phytoplanktonentwicklung und -zusammensetzung. Parallel zu den Feldarbeiten sind Mesokosmos- und Laborexperimente vorgesehen, um unter kontrollierten Bedingungen die Kausalität der Freilandbeobachtungen zu überprüfen. Durch die Arbeiten des Projekts, vor allem die zeitlich hochaufgelösten Erfassungen von Freisetzungskinetik und Phytoplanktonreaktion, werden wegweisende Erkenntnisse erwartet, die insbesondere für Experten im Bereich Wasserqualitätsmanagement von fundamentalem Interesse sein werden. Es ist daher vorgesehen, die Ergebnisse auf frei zugänglichen Wissenschaftsdaten-Plattformen zur Verfügung zu stellen.

Funktionelle Diversität aquatischer Primärproduzenten - Erarbeitung einer Konzeption für einer DFG-Forschergruppe

Im Rahmen eines Verbundvorhabens mit der BTU Cottbus, Universität Potsdam und dem IGB Berlin soll eine Forschergruppe zur Untersuchung der funktionellen Diversität aquatischer Primärproduzenten initiiert werden. Dieses Vorhaben soll eine detaillierte Analyse sowohl der räumlichen Inhomogenitäten als auch der zeitlichen Variabilität der Primärproduktionsleistung aquatischer Ökosysteme liefern. Die dem Vorhaben zugrunde liegende Hypothese geht davon aus, dass mit steigender Nährstoffbelastung eine Zunahme beider Variabilitätskomponenten erfolgt, welche durch die gegenwärtig praktizierte Probenahmestrategie nur unzureichend erfasst wird. In bisherigen gewässerökologischen Studien wird im Regelfall nicht die Leistung der Primärproduzenten erfasst, sondern nur ihre Biomasse als Proximatfaktor verwendet. In allen Klassifikations- und Bewertungssystemen wird ungeprüft vorausgesetzt, dass die Trophie als Intensität der Primärproduktion im gesamten Gewässer proportional zur Nährstoffbelastung und zur Biomasse des Phytoplanktons im Epilimnion ist. Dieser Sachverhalt trifft jedoch nur auf die Phasen der Dominanz von epilimnischem Phytoplankton zu. Mit der Abnahme der Nährstoffbelastung wächst die Bedeutung benthischer oder metalimnischer Produzenten für die gesamten Stoffumsatzprozesse und für die Ausprägung von Nahrungsnetzbeziehungen. Diese Prozesse und Komponenten sollen in einem Gesamtansatz erfasst werden. Aus diesem Grund steht die Entwicklung von vergleichbaren Methoden zur Erfassung der Primärproduktion aller photoautotrophen Organismen im Mittelpunkt der ersten Phase des Forschungsvorhabens

Erfassung der Planktonbiomasse des Bodensee-Obersees mit Hilfe von Summenparametern

Erfassung der Planktonbiomasse des Bodensee-Obersees mit rasch, z.T. kontiunierlich messbaren Summenparametern (Protein, Algenpigmente, in-vivo-Fluoreszenz des Phytoplanktons, Coulter-Counter-Volumen, ATP) als Grundlage fuer genauere Biomassenbilanzierungen. Die Messungen werden in woechentlichem Abstand in je 12 bis 42 Seewasserproben durchgefuehrt.

Dynamik des postglazialen Ökosystems südwestliche Ostsee - Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Umwelt und Biosphäre anhand organisch-wandiger und kieseliger Mikrofossilien

Die südwestliche Ostsee ist die Schlüsselregion für den Austausch von niedrigsalinem Oberflächenwasser und höhersalinem, sauerstoffreichem Bodenwasser zwischen der eigentlichen bzw. zentralen Ostsee und dem Skagerrak/Kattegat bzw. der Nordsee. Dieses System wird durch die Richtung und Intensität der Winde bestimmt und ist damit letztendlich durch das zyklonale Wettersystem des Nordatlantiks und die Golfstromaktivität kontrolliert. Die wesentliche Intention des beantragten Projektes ist die Untersuchung der Auswirkungen von holozänen Klimavariationen auf das Ökosystem Ostsee, welche sowohl durch die Sedimentabfolge als auch durch den Fossilinhalt reflektiert werden. Hierzu ist die Untersuchung der durch unterschiedliche Wind-/ Sturm- und Niederschlagsintensität hervorgerufenen Veränderungen der Salinität, der Nährstoffflüsse und des Sauerstoffgehalts der südwestlichen Ostsee vorgesehen. Diese können anhand organisch-wandiger und kieseliger Mikrofossilien, deren morphologischen Variationen, Arten-Sukzession und der chemischen Veränderungen bei der Einbettung nachgewiesen werden. Ziel dieses Projektes ist es, die Wechselwirkung zwischen Umwelt und Phyto-/Zooplankton im Ablauf der holozänen Entwicklungsgeschichte der südwestlichen Ostsee zu erfassen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind Grundlagen zur Differenzierung natürlicher und anthropogener Umweltveränderungen sowie Datenbasis zur Modellierung zukünftiger Umweltveränderungen durch Klimaschwankungen.

Ueberwachung der niedersaechsischen Kuestengewaesser

1994 wurden die verschiedenen an der NLOE-Forschungsstelle Kueste durchgefuehrten physikalisch-chemischen und biologischen Ueberwachungsuntersuchungen zu einem gemeinsamen Monitoring-Konzept zusammengefasst. Diese von Norderney und Hildesheim aus organisierte Ueberwachungstaetigkeit in den marinen Gewaessern des Landes Niedersachsen umfasst die Kompartimente Wasser, Boden und Organismen. Zentrale Messgroessen sind die Naehrstoffgehalte, die Belastung mit schaedlichen Spurenstoffen und die Zusammensetzung wichtiger Lebensgemeinschaften.

Der Einfluß von Wasserinhaltsstoffen auf die strahlungsbedingte Wärmeübertragung in Ozean und Küstengewässern

Die Wechselwirkungen von solaren Strahlungsflüssen und biologischen Prozessen haben fundamentale Auswirkungen auf physikalische Prozesse, Verfügbarkeit von Nährstoffen und Primärproduktion in den oberen Ozeanschichten, sowie den Austausch von Gasen mit der atmosphärischen Grenzschicht. Durch die Absorption solarer Strahlung tragen optisch aktive Wasserinhaltsstoffe zur Erwärmung der oberflächennahen Ozeanschichten bei und beeinflussen so über die Temperaturabhängigkeit der Stoffwechselraten von marinem Phytoplankton Primärproduktion und Export von Biomasse. Aufgrund der im Vergleich mit dem offenen Ozean stärker variablen Konzentrationen von anorganischen Schwebstoffen und CDOM (coloured dissolved organic matter, im Folgenden als Gelbstoff bezeichnet) ist die Zusammensetzung der Wasserinhaltsstoffe in Küstengewässern und Schelfmeeren oftmals durch eine hohe Heterogenität gekennzeichnet. Die Bildung von Gelbstoff und Änderungen in dessen Zusammensetzung aufgrund nicht-konservativer Prozesse hängen dabei in hohem Maße von der Lichtverfügbarkeit, weiterer Umweltbedingungen sowie der Zusammensetzung des Phytoplanktons ab. Darüber hinaus haben heterogene Verteilungen von Phytoplanktonpigmenten und anderen Wasserinhaltsstoffen Auswirkungen auf sub-mesoskalige vertikale Mischungsprozesse und advektive Flüsse, und damit auch auf Wassertemperatur und dichte, sowie das oberflächennahe Nährstoffangebot. Ein gutes Verständnis der Energieflüsse an der Ozeanoberfläche und in den oberen Ozeanschichten sowie deren Auswirkungen auf den Wärmehaushalt in Küstengewässern und Schelfmeeren ist von großer Bedeutung für die Modellierung des regionalen ozeanischen Klimas. Das vorgeschlagene Projekt hat zum Ziel, den Beitrag von optisch aktiven Wasserinhaltsstoffen (einschließlich Phytoplankton, Gelbstoff und anorganischen Schwebstoffen) zu den Energieflüssen in den oberen Ozeanschichten und durch die Ozeanoberfläche hindurch zu quantifizieren. Es soll untersucht werden, inwieweit die heterogene Verteilung von Wasserinhaltsstoffen die sub-mesoskaligen vertikalen turbulenten Austauschvorgänge und advektiven Flüsse beeinflusst, und inwieweit die Lichtattenuation durch Gelbstoff Auswirkungen auf die Zusammensetzung des Phytoplanktons hat. Zu diesem Zweck soll ein gekoppeltes Atmosphäre Ozean Zirkulationsmodell mit integriertem bio-optischem Modul synchron mit einem Atmosphäre Ozean Strahlungstransportmodell betrieben werden, so dass Erwärmungsraten aufgrund hochvariabler Konzentrationen von optisch aktiven Inhaltsstoffen mit hoher Genauigkeit berechnet, und so deren Auswirkungen auf die biophysikalischen Prozesse im Ozean analysiert werden können.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1704: Flexibilität entscheidet: Zusammenspiel von funktioneller Diversität und ökologischen Dynamiken in aquatischen Lebensgemeinschaften; Flexibility Matters: Interplay Between Trait Diversity and Ecological Dynamics Using Aquatic Communities as Model Systems (DynaTrait), Teilprojekt: Alternative Zustände eines einfachen Räuber-Beute Systems induziert durch Konkurrenz zwischen kleinen fressbaren und großen nicht fressbaren Algen und parasitische Pilze (APPS)

Höhere Abundanz von Zooplankton führt häufig zu einer Verschiebung der Algengemeinschaft hin zu größeren nicht fressbaren Algen, was zu einer Limitation des Nährstoffflusses entlang der Nahrungskette führt. Im Gegenzug können parasitische Pilze (z.B. Chytridien) große schlecht fressbare Algen infizieren und so für das Zooplankton (z.B. Mikro- und Makrozooplankton) in Form von Zoosporen verfügbar machen. Dieser sogenannte 'Mycoloop' hat wichtige Konsequenzen für die verschiedensten Nahrungsnetzinteraktionen. In Abwesenheit einer Kopplung zwischen Pilzen und Zooplanktonfraß, sind parasitische Pilze in der Lage große nicht fressbare Algen stark zu reduzieren und somit kleine fressbare Algen zu fördern. Allerdings existiert eine starke Kopplung durch Zooplanktonfraß zwischen den Pilzen und dem Zooplankton (über die Zoosporen), dies kann das Wachstum der nicht fressbaren Algen sogar fördern und zwar durch eine reduzierte Infektionsrate. Genetische Varianz (trait variability) innerhalb der nicht fressbaren Algenpopulation, kann eine Verschiebung zu resistenteren Genotypen ermöglichen und somit die direkte Kontrolle durch parasitische Pilze reduzieren, sowie die Kopplung durch Zooplanktonfraß zwischen Pilzen und Zooplankton schwächen. Unser Ziel ist es daher, die Variabilität in den Eigenschaften mit dem Zooplanktonfraß und dem Pilzparasitismus zu verbinden, um Räuber-Beute/Parasit-Wirt Beziehungen und die Konkurrenz zwischen fressbarem und nicht-fressbarem Phytoplankton in Anwesenheit von Pilzparasitismus oder Zooplankton Fraßdruck und in Kombination zu untersuchen. Unsere Hypothese ist, dass der Pilzparasitismus das Potential besitzt, unser Modellsystem in alternative Zustände mit einer Dominanz von entweder fressbarem oder nicht-fressbarem Phytoplankton zu verschieben, in Abhängigkeit von der Stärke der Pilz-Zooplankton-Kopplung. Mit Hilfe von Experimenten möchten wir die Auswirkungen von Parasitismus und des Mycoloop auf die Nahrungsnetzdynamik untersuchen. Wir erwarten, dass alternative Zustände des Nahrungsnetzes auftreten: entweder die Dominanz von fressbaren Algen oder nichtfressbaren Algen. Theoretische Untersuchungen mit Hilfe eines entsprechenden Nahrungsnetzmodelles werden uns Einsichten geben, wie die unterschiedlichen Treiber und Nahrungsnetzinteraktionen die Konkurrenzstärke zwischen kleinen, fressbaren und großen, nicht-fressbaren Algen beeinflusst. In der Kombination erlaubt uns dies, zu bestimmen, wie der Pilzparasitismus die Nahrungsnetzdynamik und damit seine Implikationen für Phytoplankton Diversität und Funktionalität verändern.

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