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Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Dient sie zum Schutz gegen Fressfeinde und Pathogene?

Coccolithophoriden sind eine Gruppe von ca. 200-300 marinen Phytoplanktonarten, die in allen Weltmeeren vorkommt. Sie besitzen die besondere Fähigkeit eine Kalkschale (Coccosphäre) zu bauen, die sie aus vielen kleinen Kalkplättchen (Coccolithen) zusammensetzen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu kalzifizieren sind sie ein wichtiger Bestandteil im Klimasystem, denn die Produktion von Kalk nahe der Meeresoberfläche führt zu einem vertikalen Gradienten der Seewasseralkalinität, beschleunigt den Kohlenstoffexport in die Tiefsee und erhöht die Rückstrahlung von einfallender Sonnenenergie von der Erdoberfläche ins Weltall. Trotz intensiver Forschung an der Physiologie der Kalzifizierung und dessen biogeochemischer Relevanz konnten wir eine der entscheidenden Fragen immer noch nicht beantworten: Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Die Beantwortung dieser Frage ist von außerordentlicher Bedeutung, denn solange wir nicht wissen wozu die Kalkschale dient können wir auch nicht vorraussagen in welchem Maße sich die durch die Ozeanversauerung zu erwartende Abnhame in der Kalzifizierung negativ auf die Fitness dieser Lebewesen in ihrem natürlichen Lebensraum auswirkt. In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir die Frage nach der Bedeutung der Kalzifizierung erforschen, indem wir untersuchen ob die Coccosphäre einen Schutz gegen planktonische Räuber, Bakterien und Viren darstellt. Dazu haben wir eigens einen experimentellen Ansatz entwickelt wobei kalzifizierte und dekalzifizierte Coccolithophoridentzellen zusammen mit deren Fressfeinden und Pathogenen kultiviert werden. Dieser Ansatz erlaubt es uns folgende Fragestellungen zu untersuchen: 1) Sind kalzifizierte Zellen besser in der Lage sich gegen Fraß und Infektion zu schützen als Zellen ohne Coccosphäre? 2) Bevorzugen Fressfeinde und Pathogene solche Zellen, bei denen die Coccosphäre entfernt wurde, wenn ihnen beides angeboten wird? 3) Sind Wachstum und Reproduktion von Fressfeinden und Pathogenen verlangsamt, wenn sie kalzifizierte Zellen fressen oder infizieren?

Surface measurements of phytoplankton abundance, biomass, cell size and species diversity in the East Frisian Wadden Sea in 2020-2024

The Lower Saxony Water Management, Coastal and Nature Protection Agency regularly monitors the abundance, biomass, cell size and species composition of phytoplankton species in the East Frisian Wadden Sea. A total of 5 stations are sampled from a monthly to weekly frequency, either throughout the whole year or from March to October. Samples are taken at the surface using a bucket, and kept in 5L canisters to be stored in the cold and dark until subsequent fixation with Lugol's iodine solution and later microscopic analysis. An inverted microscope was used to identify and analyze phytoplankton samples following Utermöhl (1958). The unaccepted or original names of species are given in the 'Species UID' variable, and the accepted identifications are given in the 'Species' variable. The data provides a detailed time series of phytoplankton abundance, biomass, cell size and species composition from 2020 to 2025 in the East Frisian Wadden Sea surface waters.

Coastal Atmosphere & Sea Time Series (CoASTS) and Bio-Optical mapping of Marine optical Properties (BiOMaP): the near- surface marine bio-optical data

The CoASTS-BiOMaP data set comprises in situ near-surface inherent (e.g., absorption, scattering and backscattering coefficient s) and apparent (e.g., normalized-water leaving radiance and the corresponding remote sensing reflectance) optical properties of relevance for satellite ocean colour applications. The data were produced through the Coastal Atmosphere & Sea Time Series (CoASTS) and the Bio-Optical mapping of Marine optical Properties (BiOMaP) measurement programs implemented by the Marine Optical Laboratory of the Joint Research Center (JRC) in collaboration with a number of European institutions. Common to both CoASTS and BiOMaP is the standardization of instruments, measurement methods, quality control schemes and processing codes to enforce temporal and spatial consistency to data products. CoASTS measurements comprise 125 field campaigns and 637 stations performed from December 1998 up to March 2016 benefitting of the Acqua Alta Oceanographic Tower (AAOT) in the northern Adriatic Sea to generate time series data at a fixed coastal site. CoASTS data exhibit occurrence of waters with optical properties largely determined by phytoplankton, as well as diverse concentrations of suspended particulate matter (SPM) and of coloured organic matter (CDOM). BiOMaP measurements comprise 36 bio-optical oceanographic campaigns and 1915 stations performed between July 2000 and May 2022 using a variety of oceanographic vessels to produce spatially distributed data across various European Seas. BiOMaP measurement regions include: the Baltic Sea exhibiting waters dominated by a high concentration of CDOM; the Adriatic Sea, Black Sea, North Sea (comprising the English Channel), Ligurian Sea, Iberian Shelf and the Greenland Sea, characterized by a variety of optically complex waters determined by diverse concentrations of CDOM and SPM; the Eastern and Western Mediterranean oligotrophic and mesotrophic Seas.

Integration von hochauflösendem Monitoring und merkmalbasierte Modellierung zum Verständnis und zur Prognose von Phytoplankton-Dynamiken (AQUASCOPE)

Die Dynamik von Planktongemeinschaften wird durch Einflussfaktoren, die von unten nach oben (Wasserphysik und Chemie) und von oben nach unten (natürliche Feine) wirken, kontrolliert. Die relative Bedeutung und Richtung dieser Effekte auf die Zusammensetzung der Taxa sowie die relative Abundanz sind in natürlichen Gemeinschaften jedoch nicht hinreichend belegt: Sie variieren in Zeit und Raum und hängen auch von physiologischen und ökologischen Wechselwirkungen ab, die durch verschiedene Merkmale beeinflusst werden. Ziel dieses Projektes ist es, die Auswirkungen interagierender Kontrollen (z.B. Temperatur, Verwirbelung, Nährstoffversorgung, Identität von Weidegängern, Dichte und Beuteauswahl) auf Phytoplankton in Seen innerhalb taxonomischer und größenbasierter Kategorien zu quantifizieren, um merkmalbasierte theoretische und datenbasierte Modelle (neu) zu entwickeln, die eine genaue Prognose zu Veränderungen in Plankton-Nahrungsnetzen und somit von Ökosystemprozessen und -dienstleistungen über Umweltgradienten in Raum und Zeit ermöglichen. Dieses Projekt beinhaltet drei miteinander verbundene Arbeitspakete: 1) Anwendung neuer Methoden für In-situ-Monitoring, 2) Datenanalyse (Erforschung von Mustern, Hypothesenüberprüfung und Analyse von Einflussfaktoren), und 3) merkmalbasierte Modellierung (Entwicklung und Überprüfung von Theorien, Prognosen über Raum und Zeit). Dieses Projekt wird Unterwasseraufnahmen als neues Werkzeug für Forschung und routinemäßiges Monitoring evaluieren. Durch die gewonnenen Daten werden wir mittels merkmalbasierter Rahmenbedingungen in der Lage sein, Konzepte und Theorien in der Gemeinschaftsökologie zu präzisieren, insbesondere darüber, wie Chemie und Physik sowie die Wechselbeziehungen zwischen den Arten die Dynamik von Phytoplanktongemeinschaften über Zeit und Raum beeinflussen können. Das quantitative Verständnis von Einflussfaktoren und Mechanismen, die in der Gemeinschaft die Struktur und Abundanz steuern, wird uns Prognosen über Veränderungen in der Biodiversität von Plankton über Umweltgradienten und Algenblüten ermöglichen.

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.

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.

Phytoplankton Monitoring in Zingster Strom

<p>Monitoring data were collected from Zingster Strom on behalf of University of Rostock to assess the composition and structure of planktonic microbial communities. The focus of this monitoring program was on phytoplankton, defined here as planktonic photoautotrophic microorganisms, including both eukaryotic microalgae and cyanobacteria, as well as closely associated protists. Water samples were collected directly from the basin using a 2 L water sampler to ensure representative capture of the planktonic community. In the laboratory, each sample was subsampled into two separate 2 mL aliquots to allow for complementary preservation and analysis approaches. One aliquot was fixed with Lugol's iodine solution, a standard preservative widely used in phytoplankton studies due to its effectiveness in maintaining cell morphology and enabling reliable identification and counting under light microscopy. The second aliquot was fixed with glutaraldehyde, which provides superior preservation of fine cellular structures and is particularly suitable for smaller or more delicate taxa. Microscopic examination was conducted using an optical microscope, allowing for taxonomic identification based on morphological characteristics. The monitored taxa encompassed a broad range of phytoplankton groups, including cyanobacteria (e.g., Microcystis, Anabaena), green algae (e.g., Scenedesmus, Pediastrum), diatoms (e.g., Navicula, Cyclotella), dinoflagellates (e.g., Ceratium, Peridinium), cryptophytes, euglenoids, and other protistan lineages. This diverse assemblage reflects the ecological complexity of transitional coastal systems such as Zingster Strom, where freshwater and marine influences intersect.</p>

Die Biogeochemie der Ozean-Eis-Interaktion in Grönland

In diesem Projekt werden wir die grönländische Küste als ideales Ziel für eine Prozessstudie nutzen, um zu untersuchen, wie sich Veränderungen des Wasserkreislaufs auf die Biogeochemie und Produktivität des Ozeans auswirken.Mit zunehmender jährlicher Abflussmenge aus dem Grönländischen Eisschild (GrIS) stellt sich die Frage, wie sich dieser Süßwasserabfluss auf die Produktivität der Schelfmeere in Grönland auswirkt. Der GrIS ist das zweitgrößte Eisschild der Erde. Wenn Süßwasser vom GrIS in den Ozean gelangt, entstehen in den Küstengewässern der Insel starke physikalische und biogeochemische Gradienten. Diese Gradienten sind am ausgeprägtesten in den Fjorden Grönlands, die flächenmäßig zu den größten maritimen Kohlenstoffsenken gehören. Grönlands Fjorde und Schelfmeere beherbergen auch national wichtige Fischereien, deren Zukunft für die grönländische Wirtschaft von entscheidender Bedeutung ist.Obwohl allgemein anerkannt ist, dass Süßwasser-Gletscher-Inputs die regionale Ozeanzirkulation beeinflussen, steht unser Verständnis von Verbindungen zwischen der Physik der Schmelzwasser-Freisetzung und langfristigen Veränderungen in der marinen Biogeochemie noch in den Anfängen. Ein Thema von aktuellem Interesse für der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ist, wie Kryosphäre und Ozean biogeochemisch in einem sich erwärmenden Klima interagieren werden. Das Hauptziel hier wird sein, zu bestimmen, wie die physikalischen und chemischen Veränderungen, die durch erhöhte Süßwassereinträge in den Ozean um Grönland verursacht werden, die Verfügbarkeit von Nährstoffen (Makronährstoffe und Mikronährstoffe) für Phytoplankton und somit die Primärproduktion beeinflussen.Durch die Kombination von Feldforschung mit idealisierten Modellen werden die Auswirkungen der drei wichtigsten unterschiedlichen Süßwasserquellen (Oberflächenabfluss, Untergrundabfluss und Eisbergschmelze) bestimmt. Die Chemie des Mündungs-Mischprozesses, welcher häufig schnelle Veränderungen der chemischen Form und damit der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen induziert wenn sich Süß- und Salzwasser mischen, wird untersucht. Der Nährstofflimitierungsstatus von Phytoplanktongemeinschaften in von Süßwasser beeinflussten Gebieten in Grönland wird bestimmt und somit der Nettoeffekt gleichzeitiger Veränderungen der physikalischen und chemischen Zusammensetzung der Wassersäule bewertet.Dadurch wird es möglich sein, die Auswirkungen der Zunahme von Süßwassereintrag in den polaren Ozean, im Hinblick auf Änderungen der Primärproduktion im Meer zu verstehen.

Coastal Atmosphere & Sea Time Series (CoASTS) and Bio-Optical mapping of Marine optical Properties (BiOMaP): the water hyperspectral absorption coefficients

The CoASTS-BiOMaP data set of hyperspectral absorption coefficients, complementary to the bio-optical data set accessible at https://doi.org/10.1594/PANGAEA.971945, were determined from laboratory analysis of discrete water samples collected at approximately 1 m depth during the Coastal Atmosphere & Sea Time Series (CoASTS) and the Bio-Optical mapping of Marine optical Properties (BiOMaP) measurement programs. The dataset, resulting from the collaboration between the Marine Optical Laboratory of the Joint Research Center (JRC) and a number of European national institutions, comprises absorption coefficients of pigmented and non-pigmented particles in the 400-750 nm interval, and those by colored dissolved organic matter in the 350-680 nm interval, provided with 3 nm spectral resolution at 2 nm increment. All coefficients were determined applying identical sampling, laboratory, processing and quality control methods, regardless of the measurement program or geographic areas. A few spectra of absorption coefficients for pigmented particles exhibit some unrealistic negative values beyond approximately 500 nm explained by limits of the measurement methodology in the presence of a low concentration of particles largely associated with sampling in oligotrophic waters. These spectra were not excluded from the data set expecting their application can be still relevant once the absorption coefficients are corrected for their background in the near-infrared. Overall, the data set comprises absorption spectra from 2549 stations. Of these, 634 stations refer to 125 CoASTS field campaigns performed from October 1998 up to March 2016 on-board the Acqua Alta Oceanographic Tower (AAOT) in the northern Adriatic Sea representing moderate optically complex waters with properties largely determined by phytoplankton, as well as diverse concentrations of suspended particulate matter (SPM) and of coloured dissolved organic matter (CDOM). The remaining 1915 stations are from 36 BiOMaP oceanographic campaigns performed between July 2000 and May 2022 in various European marine regions: the Baltic Sea with waters dominated by a high concentration of CDOM; the Adriatic Sea, Black Sea, North Sea (comprising the English Channel), Ligurian Sea, Iberian Shelf and the Greenland Sea, exhibiting a variety of optically complex waters determined by diverse concentrations of CDOM and SPM; the Eastern and Western Mediterranean oligotrophic and mesotrophic Seas.

Scenarioanalyse mit dem dynamischen Gewaessermodell SALMO zur Prognose der Wassergueteentwicklung in stehenden und gestauten Gewaessern

Mit dem am Institut fuer Hydrobiologie entwickelten dynamischen Oekosystemmodell SALMO laesst sich der Einfluss externer Belastungsquellen (Naehrstoffe, organische Belastung) und gewaesserinterner Massnahmen (Stauspiegelabsenkung, Teilzirkulation, Biomanipulation) auf die Wasserqualitaet von Talsperren und Seen (Phytoplanktonbiomasse, Sauerstoff, Nitratkonzentration) abschaetzen. So half das Modell in einer Studie der IDUS-GmbH bei der Charakterisierung von Einfluss und Wechselwirkungen unterschiedlicher Belastungskomponenten (Naehrstoffe, lichtabsorbierende Stoffe) bezueglich der Wasserguete der Talsperre Bleiloch. Unter massgeblicher Beteiligung des Instituts fuer Automatisierungs- und Systemtechnik der TU Ilmenau entstand eine komplette Neuimplementierung des Gleichungssystems mit dem Simulationssystem Matlab/Simulink sowie in der objektorientierten Programmiersprache JAVA. Diese ermoeglicht die Simulation raeumlich kompartimentierter Gewaesser, eine einfachere Handhabbarkeit des Gleichungssystems und eine betraechtliche Erweiterung des Anwendungsspektrums von SALMO als Werkzeug fuer Forschung, Lehre und Entscheidungsfindung.

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