ALBERT

Description: This study presents new insights on variations in the coccolithophore Coccolithus pelagicus due to a rising C02 concentration, caused by anthropogenic emissions. Since coccolithophores are the dominant group of pelagic calicifiers, variations in calcification and photosynthesis will have direct consequences for the global carbon cycle and hence atmospheric CO2. The research was conducted as a batch culture experiment in which C. pelagicus was grown under light and nutrient replete conditions at five different CO2 concentrations (10, 20, 30, 40 and 50μmol/kg). In previous experiments with the coccolithophores Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa oceanica acidification due to the rising CO2 concentrations could show no effect on the growth rate, but calcification was significantly reduced while photosynthesis was promoted. This study could show same effects. There is no trend in growth rates and the transport efficiency of photosystem II (Fv/Fm) was not affected by CO2 concentrations up to 40 μmol/kg. However, at higher CO2 concentrations the efficiency decreased. Nevertheless, this reduction seems not to have influenced photosynthesis nor growth rates. The production of organic carbon significantly increased from the lowest to the highest C02 concentration, what leads to a rise of the organic carbon content by 50%. This is probably caused by a decrease in the passive loss of CO2 and an increase in the transport capacity of CO2 and HCO3-. The inorganic carbon on the other hand significantly decreased with rising CO2. There are not yet any explanations or presumptions for a reason but it is certified by studies on other coccolithophores. Finally, it can be stated that that a decrease in calcification and an increase in photosynthesis in Coccolithus pelagicus could have a negative feedback on the future atmospheric CO2. However, this potential negative feedback by C. pelagicus would not be as pronounced as it can be assumed for E. huxleyi and G. oceanica.

Description: In dieser Arbeit wurden die Auswirkung von öl- und methanhaltigen Sedimenten des nördlichen Golf von Mexiko auf die Abundanz, Biomasse und taxonomische Zusammensetzung der Meiobenthosgesellschaft untersucht. Es wurden 4 Referenzsedimente und 8 öl- und methanhaltige Sedimentproben aus einer Wassertiefe von 550 m bearbeitet. Letztere zeichnen sich durch eine chemotrophe Produktion organischen Materials aus. An Hand von Kohlenstoffisotopenmessungen wurde untersucht, ob das Meiobenthos den an den öl- und methanhaltigen Standorten vorhandenen autochthon produzierten Kohlenstoff als Nahrungsquelle nutzt. Die Gesamtabundanzen und -biomassen waren an den „seep" -beeinflussten Habitaten deutlich erhöht. Die maximale Gesamtabundanz lag mit 1464 Individuen pro l0 cm2 um das 12-fache höher im Vergleich zu der durchschnittlichen Gesamtabundanz der Referenzstationen. Die maximale Biomasse aller meiobenthischen Organismen betrug an einer öl- und methanhaltigen Station 439 μg Kohlenstoff pro l0 cm2 und überstieg somit die durchschnittliche Gesamtbiomasse der Referenzstationen von 61 μg Kohlenstoff pro l0 cm2 um das 7,2-fache. Die am häufigsten gefundenen Taxa waren die Nematoda, mit einem Anteil von über 88% und die Copepoda mit einem durchschnittlichen Anteil von 9% an der Gesamtmeiofauna. Die meiobenthischen Organismen zeigten eine maximale Verteilung der Abundanz und Biomasse im obersten Sedimenthorizont von 0 bis l cm Tiefe. Die individuelle Nematodenbiomasse wies an allen Stationen ein Maximum in den untersten Sedimenthorizonten auf, was auf eine Änderung der Artenzusammensetzung schließen lässt. Die Kohlenstoffisotopenverhältnisse von Nematoden der öl- und methanbeeinflussten Stationen wiesen mit -25,4 und -33,4‰ deutlich leichterer Signale im Vergleich zu den Referenzstationen auf. Die δ13 C-Werte der Nematoden an den Referenzstationen lagen zwischen -18 und -25‰ zeigten eine gute Übereinstimmung mit den δ13C-Werten von phytoplanktischem Material. An den „seep"-beeinflussten Stationen im nördlichen Golf von Mexiko deuten sowohl die Abundanzen und Biomassen aller meiobenthischer Organismen als auch die Kohlenstoffisotopenverhältnisse der Nematoden auf die Nutzung des autochthon produzierten organischen Materials hin.

Description: Die Ergebnisse der Versuche deuten auf z. T. gravierende Auswirkungen auf das Chemorezeptionsvermogen und die hiermit assoziierten Verhaltensweisen der Nahrungssuche und Pradatorenvermeidung nach einer Belastung mit EKWs in umweltrelevanten Konzentrationen bei juvenilen Taschenkrebsen und Hummern hin. Bei den Hummem waren die festgestellten Auswirkungen schwerwiegender und bestätigten die bereits von WALTER (2005) erarbeiteten Ergebnisse. Die Versuche mit den belasteten Versuchstieren ergaben eindeutige Beeinträchtigungen bei der Wahrnehmung von Nahrungsreizen. Besonders drastisch zeigte sich dieser Effekt bei den Hummern, die einer chronischen Belastung mit EKW s einer Konzentration von 1,8 bis 2,9 μg/1 ausgesetzt wurden; hier lag die Reizschwelle für die Wahrnehmung eines Nahrungsreizes bereits um den Faktor 1.000 höher als bei den Tieren der Kontrollgruppe. Die Konsequenzen einer solchen Beeinträchtigung in der Chemorezeption waren für die juvenilen Hummer im Freiland beträchtlich. Als standorttreue Tiere, die darauf angewiesen sind, Nahrungsquellen in der Umgebung ihres Unterschlupfes ausmachen zu können, würde eine derartige Erhöhung der Wahrnehmungsschwelle von Nahrungsreizen einen drastisch verringerten Aktionsradius bei der Nahrungssuche bedeuten. Hieraus können sich verringerte Wachstumsraten und eine reduzierte Fitness ergeben und die Konkurrenzfähigkeit der Tiere gegenüber anderen Arten mit vergleichbaren Lebenswiesen wäre herabgesetzt...

Description: Eine enge Verflechtung von Bakterien und Phytoplankton im Pelagial konnte in mehreren Untersuchungen beobachtet werden. Allgemein können sowohl spezifische Interaktionen wie Symbiose oder Parasitismus als auch unspezifische Interaktionen wie Konkurenz, Kommensalismus oder Mutualismus zwischen Bakterien und Phytoplankton vorkommen. Das Habitat von Phytoplankton-assoziierten Bakterien wurde durch das Phycosphären-Konzept beschrieben, welches den Bereich um Algenzellen beschreibt, in dem Bakterien sich von extrazellulären Produkten der Algen ernähren. Diese Interaktion ist ein wichtiger Teil des Nahrungsnetzes im Pelagial, der „Microbial Loop“. Daher ist es wesentlich, die ökologische Rolle von Bakterien, die mit Phytoplankton interagieren, aufzuklären. In dieser Doktorarbeit wurde die Interaktion von Bakterien und Phytoplankton in Hinblick auf eine Assoziation mit jenen Mikroalgen, die als Schlüsselarten im pelagischen Ökosystem vor Helgoland gelten, untersucht. Zunächst wurden bakterielle Gemeinschaften in Mikroalgenkulturen auf die Spezifität der Assoziation untersucht und mit den Wachstumsphasen der Algen in Beziehung gesetzt. Sieben frisch isolierte Diatomeen- und Dinoflagellatenarten, Schlüsselarten im Nahrungsnetz der Nordsee vor Helgoland wurden untersucht. Über einen Zeitraum von acht Wochen wurde die Zusammensetzung der Gemeinschaft assoziierter Bakterien, die Zellzahlen von Bakterien und Algen, die Leistungsfähigkeit der Photosynthese bei den untersuchten Algen und die Konzentrationsveränderung von anorganischen Nährstoffen im Medium in diskontinierlicher Kultur untersucht. In den Kulturen dominierten Bakterien, die zum einen den Alpha- oder Gammaproteobakterien sowie der Gruppe der Flavobakterien-Sphingobakterien im Bacteriodetes Phylum zugeordnet werden konnten. Innerhalb der phylogenetischen Gruppen konnten Unterschiede zwischen frei und angeheftet lebenden Bakterien festgestellt werden...

Description: Die Quantifizierung des Energie- und Wasserkreislaufs im Einzugsgebiet der Ostsee stellt ein wesentliches Ziel des internationalen BALTEXProgramms dar. Eine genaue Bestimmung des Wasser- und Energiebudgets kann aber nur durch den kombinierten Einsatz von gekoppelten Modellen und Beobachtungen erreicht werden. Dies erfordert eine detaillierte Validierung der Modellkomponenten bei umfangreicher Nutzung bereits vorhandener Beobachtungs-und Satellitendaten, einschließlich der genauen Analyse der Kopplungsmechanismen und Antriebsfunktionen, d. h. der Oberflächenflüsse bzw. der Wechselwirkung Ozean und Atmosphäre. In dieser Arbeit werden der atmosphärische Antrieb, die Wärmeflüsse und der Oberflächenresponse des 3dimensionalen gekoppelten Meereis-Ozean Modells (BSIOM) näher untersucht und unter Verwendung meteorologischer Basisdaten Wärme- und Strahlungsflußdaten von verschiedenen Stationen in der Ostsee, Vergleiche mit Modelldaten angestellt. Die Beobachtungsdaten stammen aus der BASIS Messkampagne im Winter 1998 und 2001 sowie von den RV Alkor Reisen in den Jahren 2000 und 2001. Zusätzlich werden die meteorologischen Messdaten vom Kieler Leuchtturm und vom Institutsdach des IFM-GEOMAR genutzt, um einen statistischen Vergleich der meteorologischen Größen mit den berechneten Modelldaten durchzuführen. Der simulierte kurzwellige Strahlungsfluß über Eis ist im Durchschnitt 15 Wm-2 geringer, als die entsprechenden Beobachtungen in den Winterexperimenten; in den Sommerexperimenten findet sich sogar eine Abweichung von ca. 40 Wm-2, was auf unterschiedliche Bedeckungsgrade in dem vorgeschriebenen atmosphärischen Antrieb und Beobachtungen hindeutet. Die Berechnung der Wärmeflüsse erfolgt mit modellierten SSTs und vorgegebenem atmosphärischen Antrieb (meteorologischen Datenbank des SMHI). Der Vergleich der Wärmeflüsse mit Beobachtungen zeigt eine gute Korrelation, wenn auch die mittleren Differenzen des sensiblen Wärmeflusses zwischen 4 und 12 Wm-2 im Winter und ca. 25 Wm-2 im Sommer schwanken. Differenzen der latenten Wärme liegen zwischen 10 und 70 Wm-2. Der Vergleich der beobachteten und modellierten Windschubspannungen zeigt hohe Übereinstimmungen. Dies deutet darauf hin, dass die gewählte Berechnung des Oberflächenwindes aus dem Bodendruckfeld und der gewählten Parametrisierung zur Berechnung der Windschubspannung geeignet ist, den Impulsfluß zwischen Ozean und Atmosphäre realistisch zu beschreiben. Die gewählten Parametrisierungen (Bulkformeln) zur Berechnung der Strahlungs, Wärme- und Impulsflüsse liefern gute Ergebnisse und erscheinen somit als Antrieb für das Ostseemodell (BSIOM) bei vorgegebenen atmospärischen Parametern geeignet.

Description: Diese Arbeit beinhaltet eine Untersuchung zur Saisonalität und Stabilität der Ichthyoplanktongemeinschaft auf der Helgoland Reede Station (Nordsee, Deutsche Bucht) über einen Zeitraum von 3 Jahren. Weiterhin wurden die Larven der Kliesche (Limanda limanda) und des kleinen Sandaals (Ammodytes marinus) aus Freilandbeprobungen auf der Helgoland Reede Station im Frühjahr 2004 mit Hilfe von biochemischen Methoden auf ihre Ernährungssituation untersucht. Die Ernährungssituation wurde mit Umweltparametern in Zusammenhang gebracht. Weiterhin beinhaltet diese Arbeit eine experimentelle Untersuchung zur Weitergabe von durch Nährstofflimitationen ausgelösten Nahrungsqualitäteffekten von Primärproduzenten über Herbivore zu Fischlarven.

Description: The bacterial communities associated with the brown algae Laminaria saccharina were investigated. For characterization in different geographical settings, seasons and also on the morphologically different parts of the alga, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), cloning and phylogenetic analysis of l 6S rDNA sequences were used. Biologically active bacteria, isolated from L. saccharina in an earlier study, were sequenced and phylogenetically analyzed. In addition an infected laboratory culture of Laminaria digitata was studied by scanning electron microscopy and DGGE. Infected L. digitata samples yielded DGGE banding patters that indicated a stable bacterial community. Scanning electron microcopy revealed blister like structures on the infected phylloid, containing morphologically different microorganisms not occurring on healthy L. digitata phylloids. The 16S rDNA DGGE banding pattems of L. saccharina from natural habitats indicated a specific bacterial community associated with the young and healthy algal tissues. Seasonal, geographical and algal-part specific differences were observed. Cloning experiments identified 18 phylotypes ( 6 in the Alphaproteobacteria, 8 in the Gammaproteobacteria and 4 in the Bacteroidetes group) derived only from Baltic L. saccharina, not shared by water-derived samples. This indicated a specific association of bacteria to L. saccharina. Furthermore sequence analysis of the L. saccharina-derived antimicrobially active isolates identified strain LD8 l to be a novel member of the Alphaproteobacteria with less than 96% sequence similarity to its closest relatives, Koprimonas byunsanensis (DQ 167245) and Rhodospirillum rubrum (X87278). These findings lead to the assumption, that L. saccharina provides a abitat for specifically associated bacteria and a source for the detection of novel bacterial species with antimicrobial activities.

Description: Dispersal and disturbance are major factors regulating the number of coexisting species. However, the relationship between species diversity and ecosystem processes has mainly been analysed for communities closed to dispersal, i.e. without looking at the mechanisms of coexistence. I experimentally investigated how initial local diversity, dispersal and disturbance rates affect local diversity and biomass production in metacommunities with marine benthic microalgae and in natural rock pool assemblages. Final local species richness and local biomass production were strongly influenced by dispersal frequency and by disturbance but not by initial local diversity (chapters 1 and 2). Both final local richness and final local biomass showed a hump-shaped pattern with increasing dispersal frequency and also with increasing suucessional time, with a maximum at intermediate dispersal frequencies and successional time. Consequently, final local biomass increased linearly with increasing final richness. In the rockpools system, diversity effects occurred in the absence of dispersal and depended on two effective grazers in the community (chapter 3). I conclude that the general relationship between richness and ecosystem functioning remains valid in open systems, but the maintenance of ecosystem processes significantly depends on the mechanism of species coexistence.

Description: This thesis shows different aspects of the distribution of adult sprat in the central Baltic Sea. The seasonal development of the horizontal distribution of sprat was investigated in 2002/2003 under the influence of a shift in the environmental regime. During the period of investigation, several inflow events of saline and well oxygenated water into the deep Basins of the Baltic Sea were observed. This includes the first major Baltic inflow (MBI) since 1993, which occurred in January/February 2003 and dramatically changed the environmental condition in the Bornholm Basin. Prior to this MBI, a ‘typical’ seasonal development of the sprat abundance in the Bornholm Sea was observed. After the MBI in 2003, relatively cold temperatures were observed in the Bornholm Basin throughout the water column. It was assumed that these unfavourable conditions lead to an avoidance migration of sprat in the more eastern areas. This was supported by an increase of the sprat abundance in the Gotland Basin. The abiotic parameters that determine the vertical distribution of sprat were investigated during several cruises, including meso-scale and small-scale investigations. Temperature and oxygen content of the water were confirmed as main driving factors for the vertical distribution of sprat, whereby the relevant thresholds were determined as 5°C and 1ml/l oxygen content. Other environmental parameters were identified to have an impact on the diel vertical migration (DVM) of sprat. Light was assumed to induce DVM of sprat, whereas the causal relationship remained unclear. Strong vertical temperature gradients can prevent DVM, if the minimum temperature, to be passed is colder than 5°C. On the other hand, cold water was crossed where the temperature gradient was relatively low. The influence of salinity and depth was found to be negligible. The results of these investigations were used to develop two models for the vertical distribution of sprat. The first model approach bases upon the calculation of the probability of occurrence, calculated for temperature and oxygen. This simple model was successfully applied to data, derived during spawning time in spring 2002, but revealed weaknesses when applied to other seasons. Furthermore, a more complex was introduced, whereas the vertical distribution of sprat was modelled as behavioural response to external stimuli. This approach was successfully applied to model the diel vertical migration of sprat. With the latter model approach a tool is delivered to include the vertical distribution into ecosystem models and is therefore an important improvement in ecosystem research in the Baltic. With regard to the consequences of the distribution patterns of Baltic sprat it was shown, that the vulnerability of key zooplankton species to predation by clupeids is highly influenced by the spatial overlap of predator and prey. Highest impact of sprat on zooplankton species was found for Pseudocalunus sp. during spring and Temora longicornis during summer.

Description: In this thesis a potential conceptual design of a recirculation system not only with water processing but also with an enhanced nutrient recycling is presented. The underlying principle of the recirculation system was based on that of an artificial ecosystem and combined several trophic levels (fish, macroalgae, microalgae, worms) (MARE = Marine Artificial Recirculated Ecosystem). The main goal of this thesis was the development of a continuous photobioreactor system for cultivation of Nannochloropsis spec. based on dissolved nutrients of the recirculation system. Furthermore, the efficacy of ozone and foam fractionation was investigated regarding removal of bacteria and particles from effluents of a marine recirculation system.