Die Arbeit ist eine Vergleichsstudie, die auf verschiedenen wigenen Seenuntersuchungen basiert, die zum Teil noch nicht vollstaendig fertiggestellt sind. Es werden die Sedimente von oligotrophen, mesotrophen und eutrophen Seen untersucht. Waehrend oliogotrophe Seen den Naturzustand repraesentieren, laesst sich eine enge Beziehung zwischen zunehmender Eutrophierung, Industriealisierung und Bevoelkerungsdichte herstellen. Sedimente signalisieren naemlich den momentanen Zustand eines Gewaessers. Vergleiche mit tieferliegenden Sedimenten im gleichen See lassen die Veraenderungen deutlich werden.
Die Begrenzung der Länge von Nahrungsketten ist eine der klassischen, aber immer noch unbeantworteten Fragen der Ökologie von Lebensgemeinschaften. In diesem Projekt und in einem parallelen Projekt limnologischer Ausrichtung (Antragsteller: Dr. H. Stibor, LMU München) soll versucht werden, zwei zentrale Hypothesen zu überprüfen: Die Omnivorie-Hypothese und die Hypothese der energetischen Begrenzung. Omnivore sind Organismen, die ihre Nahrung mindestens zwei tropischen Ebenen entnehmen. Dadurch werden sie gleichzeitig zu Nahrungskonkurrenten ihrer Beuteorganismen auf der unmittelbar unter den Omnivoren angesiedelten tropischen Ebene. Diese können dem doppelten Druck (Konkurrenz, Fraß) nicht widerstehen und werden aus dem System verdrängt, wodurch es zu einer Verkürzung der Nahrungskette kommt. Hypothese der energetischen Begrenzung. Wegen der Energieverluste, die bei jedem Transferschritt in der Nahrungskette auftreten, begrenzt die Höhe der Primärproduktion die Länge von Nahrungsketten, da bei zu langen Ketten die Energiezufuhr zu niedrig wäre, um die tropische Ebene der terminalen Räuber zu unterhalten. Überprüfung der Omnivorie-Hypothese. In künstlich zusammengestellte Modell-Nahrungsnetze im Labor (Mikrokosmen) werden an der Basis (mixotrophe Algen) und in der Mitte (omnivore Zooplankter) Omnivore eingefügt und die Struktur der Nahrungsnetze mit Kontroll-Nahrungsnetzen ohne Omnivore verglichen. Überprüfung der Hypothese der energetischen Begrenzung. Die Entwicklung der omnivorenhaltigen und omnivorenfreien Modell-Nahrungsnetze wird bei unterschiedlicher Trophie und damit Primärproduktion verfolgt.
Meeressedimente enthalten schätzungsweise größer als 10^29 mikrobielle Zellen, welche bis zu 2.500 Meter unter dem Meeresboden vorkommen. Mikrobielle Zellen katabolisieren unter diesen sehr stabilen und geologisch alten Bedingungen bis zu einer Million mal langsamer als Modellorganismen in nährstoffreichen Kulturen und wachsen in Zeiträumen von Jahrtausenden, anstelle von Stunden bis Tagen. Aufgrund der extrem niedrigen Aktivitätsraten, ist es eine Herausforderung die metabolische Aktivität von Mikroorganismen unterhalb des Meeresbodens zu untersuchen. Die Transkriptionsaktivität von diesen mikroben kann seit Kurzem metatranskriptomisch untersucht werden, z.B. durch den Einsatz von Hochdurchsatzsequenzierung von aktiv transkribierter Boten-RNA (mRNA), die aus Sedimentproben extrahiert wird. Tiefseetone zeigen ein Eindringen von Sauerstoff bis zum Grundgebirge, welches auf eine geringe Sedimentationsrate im ultra-oligotrophen Ozean zurückzuführen ist. Der Sauerstoffverbrauch wird durch langsam respirierende mikrobielle Gemeinschaften geprägt, deren Zellzahlen und Atmungsraten sehr niedrig gehalten werden durch die äußerst geringe Menge organischer Substanz, die aus dem darüber liegendem extrem oligotrophen Ozean abgelagert wird. Die zellulären Mechanismen dieser aeroben mikroben bleiben unbekannt. Im Jahr 2014 hat eine Expedition erfolgreich Sedimentkerne von sauerstoffangereichertem Tiefseeton genommen. Vorläufige metatranskriptomische Analysen dieser Proben zeigen, dass der metatranskriptomische Ansatz erfolgreich auf die aeroben mikrobiellen Gemeinschaften in diesen Tiefseetonen angewendet werden kann. Wir schlagen daher vor diese Methode mit einem hohen Maß an Replikation, in 300 Proben von vier Standorten, anzuwenden. Dieser Einsatz wird es uns ermöglichen, Hypothesen in Bezug auf zelluläre Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens, mit einer beispiellosen statistischen Unterstützung, zu testen.Wir warden den aeroben Stoffwechsel, welcher die langfristige Existenz von Organismen in Tiefseetonen unterstützt, bestimmen, Subsistenzstrategien identifizieren in aeroben und anaeroben Gemeinden unterhalb des Meeresbodens, und extrazelluläre Enzyme und ihr Potenzial für den organischen Substanzabbau charakterisieren. Die folgenden Fragen werden damit beantwortet: Wie das Leben im Untergrund über geologische Zeiträume unter aeroben Bedingungen überlebt? Was die allgegenwärtigen und einzigartigen Mechanismen sind, die langfristiges Überleben in Zellen unter aeroben und anaeroben Bedingungen fördert? Was die Auswirkungen von Sedimenttiefe und Verfügbarkeit von organischer Substanz auf die mikrobielle Produktion von extrazellulären Hydrolasen unter aeroben und anaeroben Bedingungen sind? Dies wird sowohl ein besseres Verständnis dafür liefern, wie mikrobielle Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens verteilt sind und was ihre Rolle in biogeochemischen Zyklen ist, als auch wie das Leben über geologische Zeiträume unter extremer Energiebegrenzung überlebt.
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.
Die globale Industrieproduktion und das Konsumentenverhalten führen zu einer immer stärkeren Verschmutzung der Ozeane. Daher ist ein Verständnis der Verbreitung von Schadstoffen und ihrer Auswirkungen auf Ökosysteme zunehmend wichtig. Das betrifft auch besonders entlegene, bisher als weitgehende unbelastet geltende Gebiete wie die Antarktis und den Südlichen Ozean. Um die Belastung mit Plastikrückständen von Antarktischen und Subantarktischen Seevögeln zu vergleichen, werden wir Weichmacher-Rückstände im Bürzeldrüsensekret mit einem kürzlich etablierten GC-MS Protokoll bestimmen. Zusätzlich werden wir von den gleichen Vögeln Quecksilber bestimmen, und dazu einerseits Federn nutzen, welche die Monate vor und während der Mauser repräsentieren, und andererseits Blutproben, um die Belastung während der Brutperiode zu erfassen. Wir werden unsere Analysen auf kleine Röhrennasen (Procellariiformes: Sturmschwalben, Walvogel und Blausturmvögel) fokussieren, und vergleichend ebenfalls Proben eines bekanntlich hoch mit Plastikmüll belasteten Gebiets im Nordost-Pazifik untersuchen. Wir werden daher Unterschiede in der Schadstoffexposition zwischen verschiedenen Verbreitungsgebieten und in Abhängigkeit von der trophischen Stufe (durch komponentenspezifische Stabilisotopenanalysen). Weiterhin werden wir die Weichmacher-Konzentrationen in der zeitigen und späten Antarktischen Brutsaison (November versus März) vergleichen, um Carry-Over-Effekte aus dem Überwinterungsgebiet in die Antarktis zu erfassen.
Utilisation des communautes d'oligachetes comme indicateurs de l'etat des lacs. Mise au point d'indices biologiques d'eutrophisation. Suivi ecologique a long terme du Leman, des lacs de Neuchatel, Morat, Joux, des Brenets, de Bret, Chavannes et Lioson. (FRA)
Untersuchungen ueber die Veraenderungen des Trophiegrades ab dem erstmaligen aufStau. Gute Beurteilung eines zu einer Erholungslandschaft gehoernden Gewaessers. 4-6 Probenentnahmen an 3 verschiedenen Stellen und an den Zufluessen jaehrlich. Entnahme je nach Bedarf mit Ruttner-, Schroeder- oder Schindlersampler bzw. durch Pumpen. Schlammproben mittels Rammlot. Parameter: Sichttiefe, Temperatur, elektrische Leitfaehigkeit, Alkalinitaet, pH-Wert, Sauerstoff, Gesamt-P, Ammonium-N, Nitrat-N, Eisen, Silizium, Chlorid, Phytoplankton-Biomasse, Zooplankton.
Mit den erhobenen Messdaten wurde es möglich die Nährstoffeinträge in den Mondsee für 2 große Zubringer auch für vergangene Jahre zu berechnen. Die Messungen an 98 Punkten im Einzugsgebiet geben Aufschluss darüber wie sich die Phosphorkonzentration verhält und wie sich der Längsverlauf der drei großen Zubringer darstellt. Aus diesen Ergebnissen konnte man die durchschnittliche Nährstofffracht in den Mondsee abschätzen. Mit Hilfe dieses Parameters wurde der kritische Nährstoffeintrag für den Mondsee, der als oligotroph eingestuft wird, berechnet. Die Berechnungen haben ergeben, dass der Nährstoffeintrag in den Mondsee ziemlich genau dem kritischen Flächenaustrag entspricht. Die gemessenen Phosphorwerte im Seewasser ergeben ein ähnliches Bild in den letzten Jahren. Es tritt kaum eine Veränderung in der Phosphorkonzentration im Freiwasser auf, allerdings kann man den Trend nach dem Hochwasserjahr 2002 und dem trockenen Jahr 2003 gut erkennen, was bestätigt, dass bei gleich bleibendem Phosphoreintrag keine Verbesserung im See zu erwarten ist. Mit den erhobenen Zeitreihen konnte man einen Einblick gewinnen, wie sich die Phosphorkonzentration bei der Schneeschmelze verhält. Wassergesättigte Böden nach der Winterruhe, kein Niederschlag und trotzdem hohe Nährstoffkonzentrationen lassen den Schluss zu, dass besonders im Frühjahr Phosphor mobiler und leichter verfügbar ist als im restlichen Jahreskreis. Das bedeutet, dass das Ökosystem besonders im Frühling sehr sensibel reagiert. Die Nährstoffe nach Abklingen der Schneeschmelze aufzubringen, die natürliche Auswaschung abzuwarten, bringt weniger Auswaschung ins Gewässer und die später gedüngten Nährstoffe stehen vor Ort für das Pflanzenwachstum, besonders für den ersten Aufwuchs, zur Verfügung. Der Anteil an gelöstem Phosphor ist mit über 50 Prozent bei 70 Prozent der erhobenen Messwerte sehr hoch. Zu erwarten war, dass partikulär transportierter Phosphor den Hauptanteil an der Phosphorfracht hat. Dass ein großer Teil des Phosphors gelöst in den See gelangt macht ihn im aquatischen System schneller verfügbar und begünstigt das Algenwachstum. Die erhobenen Messwerte über das Abflussverhalten und die Phosphorkonzentration im Einzugsgebiet dienten als Basis für die Kalibrierung eines Modells zur Berechnung des mittleren jährlichen Nährstoffeintrags. Phosphorkonzentration, Phosphorfracht und Flächenaustrag wurden für die einzelnen Punkte im Einzugsgebiet für verschiedene Zeitpunkte berechnet. Um einen Teilaspekt des Wasserkreislaufs, die potentielle Evapotranspiration, in ihrer Größenordnung abschätzen zu können, wurden unterschiedliche Verdunstungsmodelle herangezogen. Mit der Bedingung, räumliche Unterschiede mit den Eingangsparametern erfassen zu können, um eine sinnvolle Anwendung in einem Geographischen Informationssystem zu ermöglichen, wurden die Berechnungen mit den vorhandenen klimatologischen Daten durchgeführt und ein Modell (WENDLING, 1984) als das beste ausgewählt.
Nährstoffarme Bereiche bilden die große Mehrheit des Ozeans, aber das Schicksal der dominierenden kleinen Autotrophen in diesen Bereichen ist wenig erforscht und noch weniger verstanden. Formen kleiner als 5 mym machen die große Mehrheit der Autotrophen in nährstoffarmen Systemen aus, und Protisten sind vermutlich die Haupträuber dieser Fraktion, aber besonders im Meer ist diese Verbindung wenig erforscht. Offene, grundlegende Fragen sind: Wie viel, und mit welcher Effizienz fließt Primärproduktion der kleinen Autotrophen in höhere trophische Ebenen? Sind kleine Ciliaten im Meer genauso wichtige Konsumenten kleiner Autotropher wie im Süßwasser oder sind heterotrophe Nanoflagellaten (HNF) die Haupträuber? Sind Synechococcus und Prochlorococcus, die beiden wichtigsten Vertreter der kleinen Autotrophen, in gleichem Masse frassempfindlich? Wie wichtig ist Nährstoff-Recycling durch Protisten, um Primärproduktion zu erhalten? Das vorgeschlagene Projekt wird im Golf von Aqaba stattfinden, einem oligroptrophen Tiefseesystem nicht weit vom Labor entfernt und deshalb logistisch für experimentelle Arbeit optimal geeignet. Das Projekt ist als Zusammenarbeit mit Prof. Anton Post, Eilat, Israel geplant. Experimente werden in Jahreszeiten durchgeführt, in denen unterschiedliche Autotrophe dominieren. Dabei werden Interaktionen zwischen gesamten trophischen Ebenen innerhalb der Planktongemeinschaft aber auch zwischen Arbeiten berücksichtigt, um allgemeine Vorhersagen für oligotrophe Systeme zu machen.
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.
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