Grazer control of benthic algal biomass: The role of food quality on different levels of spatial organization
Final Report Abstract
Unter Eutrophierung versteht man die erhöhte Primärproduktion und Akkumulation von Algenbiomasse in Gewässern. Sie ist ein anhaltendes und massives Problem für den ökologischen Zustand der Gewässer. Dabei wird die Eutrophierung nicht nur „bottom-up“ durch die Licht- und Nährstoffverfügbarkeit, sondern auch „top-down“ durch die Konsumption der Algenbiofilme (Periphyton) durch wirbellose Weidegänger gesteuert. Obwohl bottom-up und top-down Effekte miteinander interagieren können, wurden sie in der Vergangenheit meist nur getrennt untersucht. Zudem fehlt bis heute ein Verständnis, wie die Stärke der top-down-Kontrolle gesteuert wird. Ziel dieses Projekts war es, die wechselseitige Steuerung autotropher Biofilme durch bottom-up und top-down Prozesse zu quantifizieren. Besondere Schwerpunkte lagen dabei auf (i) der Nahrungsqualität und (ii) der räumlichen Heterogenität der Biofilme, welche Biofilme substantiell von besser untersuchten planktischen System unterscheidet sowie (ii) dem Fressverhalten der Weidegänger in der Fläche. In dem Projekte wurden Experimente auf unterschiedlichen Komplexitätsebenen und unter Manipulation unterschiedlicher Kontrollmechanismen (Licht, Phosphor, Weidegänger) durchgeführt. Der Schwerpunkt des Projektteils an der Universität zu Köln lag auf kontrollierten Laborexperimenten auf kleiner räumlicher Skala, während der Schwerpunkt am UFZ auf der Mesoskala in Bypass-Systemen zum Fließgewässer (UFZ-Mesokosmenanlage MOBICOS) lag. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern wurden neue Methoden entwickelt und in den Experimenten angewendet, um die (i) die räumliche Ausprägung des Periphytons mittels Hyperspektralaufnahmen zu quantifizieren, (ii) das räumliche Fressverhalten der Weidegänger und deren Effekte auf das Periphyton mittels Videobeobachtung zu messen und (iii) die Effekte auf die Stoffaufnahme und den Stofftransfer mittel stabiler Isotope zu quantifizieren. In der Kombination konnten unterschiedliche Mechanismen der Wechselwirkung (bottom-up/ top-down) aufgezeigt werden. So spielte in Kurzzeitexperimenten (Labor und Mesokosmos) besonders der Mechanismus des „kompensatorischen Fressens“ eine wichtige Rolle: Geringe Nährstoffmengen führten zu einer schlechten Futterqualität des Periphytons, was zu einem erhöhten Fraß zur Kompensation der schlechten Qualität führte. Auf einer längeren zeitlichen Skala könnten die Effekte jedoch maßgeblich durch die Verschiebung von Artenspektren innerhalb des Periphytons und der damit einhergehenden Verschiebung der Futterqualität modifiziert werden. Auf der höheren räumlichen Skala kamen zudem deutliche Effekte der räumlichen Heterogenität insbesondere durch das Fressverhalten der Weidegänger hinzu: Bei niedriger Futterquantität erweiterten die Weidegänger ihren Fraß auf nahezu die gesamte Biofilmfläche, währende bei hoher Futterqualität nur einzelne Stellen beweidet wurden und so ein heterogener Biofilm (beweidet/ unbeweidet) entstand. Ein zusätzlicher Mechanismus konnte schließlich in einem aufwendigen Langzeitexperiment gezeigt werden: Unter Berücksichtigung des Wachstums der Weidegänger kommt es zu einer signifikanten Änderung der topdown Effekte mit der Zeit. Die erfolgreiche Umsetzung des Vorhabens konnte die unterschiedlichen Facetten sowie die dahinter liegenden Mechanismen der Wechselwirkung bottom-up/top-down auf verschiedenen räumlich/zeitlichen Skalen aufzeigen. Die im Projekt beschäftigte Doktorandin, Alessandra Iannino wurde für ihre Arbeiten an diesem Projekt mit dem Nachwuchspreis der Deutschen Gesellschaft für Limnologie (DGL) 2021 ausgezeichnet.
Publications
- (2019) High nutrient availability leads to weaker top-down control of stream periphyton: Compensatory feeding in Ancylus fluviatilis. Freshwater Biology 64 (1): 37 – 45
Alessandra Iannino, Alexander T.L. Vosshage, Markus Weitere, Patrick Fink
(See online at https://doi.org/10.1111/fwb.13192) - (2020) Biofilm pads—an easy method to manufacture artificial biofilms embedded in an alginate polymer matrix. Limnology and Oceanography: Methods 18 (1): 1 – 7
Timm Reinhardt, Jana Moelzner, Thomas R. Neu, Patrick Fink
(See online at https://doi.org/10.1002/lom3.10339) - (2020) Taxonomic shift over a phosphorus gradient affects the stoichiometry and fatty acid composition of stream periphyton. Journal of Phycology 56 (6): 1687 – 1695
Alessandra Iannino, Alexander T.L. Vosshage, Markus Weitere, Patrick Fink
(See online at https://doi.org/10.1111/jpy.13060) - (2021) Effects of phosphorus enrichment on the spatial heterogeneity of stream periphyton under uneven light conditions. Hydrobiologia 848 (11): 2721 – 2729
Alessandra Iannino, Alexander T.L. Vosshage, Markus Weitere, Patrick Fink
(See online at https://doi.org/10.1007/s10750-021-04591-0) - (2021) Feedback between bottom-up and top-down control of stream biofilm mediated through eutrophication effects on grazer growth. Scientific Reports 11: 21621
Alessandra Iannino, Patrick Fink, Markus Weitere
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-021-00856-9)
