Forschungsthemen und aktuelle Projekte der AG Planktologie

Schwerpunkt 1: Ökologische Stöchiometrie

Die Nährstoffzusammensetzung in Küstengewässern ändert sich dramatisch durch menschliche Einflüsse. Betroffen sind davon in unseren Breiten vor allem das Wattenmeer und flache küstennahe Meeresgebiete, die so genannten Schelfbereiche. Veränderte Konzentrationen von Stickstoff und Silikat wirken sich auf die biochemische Zusammensetzung von Phytoplankton und Mikrophytobenthos aus. Für das gesamte Nahrungsnetz mariner Lebensräume haben diese Veränderungen weit reichende Konsequenzen, denn geschätzte 50-80 % der gesamten Primärproduktion werden durch marine Algen geleistet. Jene sind, wie alle Pflanzen, in der Lage ihre eigene biochemische Zusammensetzung den Nährstoffgegebenheiten anzupassen. Verglichen damit zeigen Tiere diesbezüglich eine viel geringere Variationsbreite. Dies kann zu einer Verstärkung des Fraßdrucks auf (photosynthetisch aktive) Beuteorganismen führen, denn die verminderten Konzentrationen essentieller Nährstoffe müssen ausgeglichen werden. Andererseits führt solch erhöhter Fraßdruck aber zur übermäßigen Aufnahme anderer Komponenten, die dann ausgeschieden werden. Es besteht also nicht nur ein Missverhältnis zwischen Nährstoffqualität und Bedarf des Zooplanktons. Die Veränderungen der Nahrungsnetze haben ebenfalls starken Einfluss auf die Nährstoffzusammensetzung der Gewässer. Die Konsequenz: Anthropogene Veränderungen werden noch weiter verstärkt. Bisher wurden diese Zusammenhänge hauptsächlich in limnischen, kaum aber in marinen Systemen untersucht. Besonders gilt dies für Untersuchungen der höheren trophischen Stufen, die ebenfalls massiv betroffen sind. Jüngste Untersuchungen zeigen, dass veränderte Nährstoffregime auch für karnivore Organismen bedeutend sind. Zwar ist die biochemische Zusammensetzung ihrer Beute weniger variabel als die der Pflanzen, aber auch hier zeigen sich erhebliche Veränderungen. Und nicht zuletzt sind Verschiebungen in der Nährstoffzusammensetzung folgenreich für die Interaktion zwischen Algen und Bakterien.

In unserer Arbeitsgruppe befasst sich der Schwerpunkt „Ökologische Stöchiometrie“ mit dieser Problematik. Ursprünglich aus der Chemie stammend, beschreibt die Stöchiometrie das definierte Verhältnis der Elemente in Reaktionen und Verbindungen.Angelehnt daran untersucht die Ökologische Stöchiometrie also den Transfer von Elementen innerhalb der Nahrungsnetze und stellt den Zusammenhang her zu Nährstoffkonzentrationen der Umgebung. Wir wollen die Folgen erhöhter Stickstoff- und verminderter Silikat-Verfügbarkeit für alle trophischen Ebenen in Nahrungsnetzen einschätzen können. Daher müssen Materie- und Energieflüsse innerhalb aller dieser Komponenten untersucht werden.

Aktuelle Projekte

Experimenteller Ansatz zur Analyse der Abhängigkeit der Zooplankton-Phytoplankton Interaktion von der relativen Ressourcenverfügbarkeit (Foto: S. Werth)

“ELSER” EcoLogical Stoichiometry in aquatic food webs (2009-2012)

gefördert durch: DFG Hi 848/7-1 (in Kooperation mit dem AWI/BAH, DFG Ma4501/1-1)

Trophische Interaktionen zwischen Produzenten und Konsumenten sind hoch komplex. Einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis dieser Wechselwirkungen leistet die Ökologische Stöchiometrie. Es konnte bereits gezeigt werden, dass Räuber-Beute-Beziehungen von der Nährstoffzusammensetzung der Beute und dem Nährstoffbedarf der Räuber gesteuert sind. Diese – neuen – Erkenntnisse basieren ausnahmslos auf den Ergebnissen äußerst einfach gehaltener Experimente. Sind solche Erkenntnisse auf naturnahe, komplexe, Systeme übertragbar? Unser Projekt untersucht diese Fragestellung an pelagischen marinen Systemen. Zunächst werden wir testen, ob herbivore Zooplankter bevorzugt Futterpartikel mit hohem Nährstoffgehalt aufnehmen. In einem zweiten Schritt widmen wir uns der Frage, welche Rolle die Nahrungsqualität in Mehrartensystemen aus Phyto- und Zooplankton spielt. Markierte Nährstoffzusätze lassen sich in allen Komponenten der trophischen Stufen nachweisen: Damit kann der Einfluss von Nahrung ausgehend von Primärproduzenten über die verschiedenen Ebenen eines Nahrungsnetzes hinweg untersucht werden. Unser Ziel ist außerdem, zu zeigen, ob und wie sich Interaktionen zwischen Organismen mit dem Nahrungsangebot verändern. Diese Untersuchungen erfordern eine Reihe anspruchsvoller Experimente im Mikro- und Mesokosmen-Maßstab. Unser daraus gewonnenes Wissen wird dazu beitragen, die Folgen veränderter Nährstoffsituationen besser einschätzen zu können.

Involviert: Helmut Hillebrand, Christoph Plum

Kooperation: Arne Malzahn, Maarten Boersma, Cedric Meunier (Alfred Wegener Institut, Helgoland)

 

 

Luftaufnahme des Jena-Experiments

Ökologische Stöchiometrie von Grasslandökosystemen in Abhängigkeit von Pflanzendiversität unter Berücksichtigung des Kreislaufes multipler Elemente und trophischer Interaktionen (2010-2013)

gefördert durch: DFG  Hi848/11-1 im Rahmen der Forschergruppe Jena-Experiment.

In diesem Teilprojekt der Jenaer Forschergruppe analysieren wir den Zusammenhang zwischen Pflanzendiversität und ökologischer Stöchiometrie innerhalb multipler Ökosystemprozesse und trophischer Interaktionen. Die Theorie der ökologischen Stöchiometrie beleuchtet kompetitive und trophische Interaktionen. Sie bedient sich der Tatsache, dass eine Balance besteht zwischen der Verfügbarkeit elementarer Ressourcen und dem Bedarf der Organismen. Im Jena-Experiment wird untersucht, wie es um diese Balance von Nährstoffen wie C,N,P und K bestellt ist. Entlang eines Gradienten der Artenzahl und –zusammensetzung wird die Elementzusammensetzung von Boden, Pflanzen und Konsumenten analysiert. Im Hauptexperiment werden wir entlang dieses experimentellen Gradienten die Stöchiometrie der Pflanzen und ihrer Konsumenten untersuchen. Wir werden testen, ob (i) die Pflanzendiversität den Effekt verstärkt, multiple Elemente in hohen Konzentrationen im Pflanzenmaterial zu erhalten und ob (ii) eine unterschiedliche Stöchiometrie der Pflanzen Einfluss auf den Fraß herbivorer Insekten hat. Das „trait-Diversitätsexperiment“ behandelt die Stöchiometrie auf artspezifischer Ebene. Hier untersuchen wir, ob Pflanzenvielfalt die Elementkomposition einzelner Pflanzenarten verändert. Berücksichtigung finden dabei die unterschiedlichen funktionellen Artcharakteristika. Außerdem werden wir testen, ob (iii) die größere Vielfalt der Aufnahmemechanismen von Ressourcen zu einer erhöhten Nahrungseffizienz führt und ob (iv) die Pflanzenstöchiometrie plastisch auf das kompetitive Umfeld reagiert. Dabei beschäftigt uns die Frage, ob und wie die Multifunktionalität des Ökosystems durch Pflanzendiversität beeinflusst wird. D.h.: Ist eine kritische Anzahl von Arten nötig, um die Transformation und den Fluss verschiedener Elemente zu gewährleisten? Zudem wird untersucht werden, ob zu unterschiedlichen Zeiten verschiedene Arten die Ökosystemfunktionen gewährleisten. Auch wird die Ausprägung dieses so genannten „functional turnover“ analysiert werden.

Involviert: Helmut Hillebrand, Robert Ptacnik, Maike Kolthoff

Koordination der Forschergruppe: Wolfgang Weisser, Universität Jena

Homepage der Forschergruppe

Kooperation mit: Michael Kleyer (Univ. Oldenburg), Elizabeth T. Borer (University of Minnesota), Stan Harpole (Iowa State University)

 

Bioindikatoren der Nährstofflimitation und Ökologische Stöchiometrie

gefördert durch: Alexander von Humboldt-Stiftung (3.1-KAN/1139289 STP)

Involviert: Paul C. Frost, Helmut Hillebrand

Abgeschlossene Projekte

2005-2008        The role of the microbial loop in benthic communities – combining food web theory and ecological stoichiometry” (DFG: Hi 848 4-1; 4-2)

2001-2002        Structure and stoichiometry of microbenthic communities Marie Curie Individual Fellowship (MCFI-CT-2000-00912)

1999-2001        Simultaneous effects of top-down and bottom-up regulating forces on periphyton (DAAD and Erken Fellowship)
 

Schwerpunkt 2. Regulation von Biodiversität und Konsequenzen von Diversitätsverlust

Dramatische Umweltveränderungen verursachen einen in der Erdgeschichte nie da gewesenen Verlust von Artenvielfalt. Natürlich sind hiervon auch die Ökosysteme der Meere betroffen. Schon lange vermuteten Wissenschaftler, dass ein solcher Artenverlust gravierende Folgen für die Umwelt haben wird. Zunehmend besser verstehen wir die Regulation von Diversität. Vor allem Syntheseprojekte, an denen meine AG maßgeblich beteiligt ist, tragen zu diesen Erkenntnissen bei. Seit den 1990er Jahren zeigen empirische und theoretische Erkenntnisse, dass diese Vermutungen gerechtfertigt sind. Veränderungen der Diversität werden in der aktuellen Forschung in komplexen Nahrungsnetzen analysiert. Besonders die höheren trophischen Ebenen sind weniger artenreich und Verluste wirken sich hier stärker aus. Dadurch entstehen kaskadenartige Effekte auf Herbivore und nachgeordnet auf Pflanzenbiomasse und Primärproduktion. Neben solchen multitrophen Effekten sind es vor allem die dyna-mische Regulation von Diversität und die Bedeutung von Koexistenzmechanismen, die in den Vordergrund unserer Forschung rücken. In diesen Fragenkanon beziehen wir räumliche und zeitliche Dynamiken mit ein (siehe Schwerpunkt 4.) Daran angemessen haben wir entsprechende Modellsysteme entwickelt. Außerdem hat sich gezeigt, dass die Artenzahl ein unzureichendes Maß für Diversität ist. Unsere jüngsten Arbeiten fokussieren daher auf einen erweiterten Diversitätsbegriff, der Dominanzstrukturen, funktionelle Vielfalt und multiple Ökosystemfunktionen beinhaltet. Zudem muss das Augenmerk auf den Einfluss von invasiven Arten gelenkt werden, denn diese können, zusätzlich zum Diversitätsverlust, Ökosystem-Prozesse stark beeinflussen.

Die Analysen der Diversitätssteuerung fokussierten bisher– methodisch begründet – immer auf der Untersuchung höherer Organismen. Durch die Etablierung molekularbiologischer Methoden können solche Analysen nun auch auf mikrobielle Gemeinschaften ausgeweitet werden. Schon heute ist klar, wie sehr die Diversität von Protistengemeinschaften unterschätzt wurde. Zum besseren Verständnis der Dominanzstrukturen tragen das Klonen und Sequenzieren ribosomaler 18S rDNA ebenso bei wie DNA-Fragmentanalysen. In Zukunft werden diese Methoden dazu dienen, auch in experimentellen Ansätzen die Protistendiversität zu erfassen. Dadurch können realistischere Voraussagen zur Regulation mikrobieller Diversität getroffen werden.

 

 

Rockpools eignen sich als hervorragende Systeme zur experimentellen Analyse von Biodiversitätseffekten, da die trophischen Gruppen oft von einer limitierten Anzahl von Arten bestimmt werden (hier Littorina als Vertreter der Weidegänger) (Fotos: Monika Feiling). 

Aktuelle Projekte

Relevanz funktioneller Diversität in mikrobiellen Nahrungsnetzen: Effekte von Grazer-Diversität auf Beutediversität und –zusammensetzung (2008-2011)

gefördert durch: DFG Mo 1931/1-1

Anthropogene Einflüsse und Umweltveränderungen führen zunehmend zu einem massiven Artenverlust. Dies führte dazu, dass sich Biodiversitätsforschung zu einem Hauptschwerpunkt der ökologischen Forschung entwickelte. Komplexe multitrophische Effekte werden jedoch erst seit kurzem analysiert. In dem hier vorgestellten Projekt steht die Bedeutung funktioneller Diversität für mikrobielle Nahrungsnetze im Vordergrund. Laborversuche mit Mikrokosmen dienen dazu, gezielt die Konsumentendiversität und –zusammensetzung (Generalisten und Spezialisten) zu manipulieren. Solche Laborversuche und auch Mesokosmen im Freiland werden zudem dazu dienen, den Effekt auf die Diversität von Beuteorganismen zu untersuchen. Während wir in Laborversuchen mit artifiziellen Beutegemeinschaften arbeiten, bieten Freiland-Mesokosmen die Chance, Effekte auf natürliche Gemeinschaften zu untersuchen. Freilandgemeinschaften zeichnen sich durch eine hohe Komplexität aus: Konsumenten z.B. weisen sehr unterschiedliche Spezialisierungen auf. Die Bedeutung der funktionellen Diversität wurde in natürlichen Gemeinschaften noch nie untersucht und unsere Experimente werden maßgeblich zum Verständnis ihrer multitrophischen Effekte beitragen. Zusätzlich zur morphologischen Diversität erfassen wir außerdem die genetische Vielfalt. Das Spektrum der klassischen Methoden (Mikroskopie) wird in unserer AG daher um molekularbiologische Techniken erweitert.

Involviert: Stefanie Moorthi, Joanna Filip, Helmut Hillebrand 

Kooperation mit: Ulrike.-G. Berninger und Steve Wickham, Universität Salzburg (A), David A. Caron, University of Southern California, USA

Ökologische Stöchiometrie von Grasslandökosystemen in Abhängigkeit von Pflanzendiversität unter Berücksichtigung des Kreislaufes multipler Elemente und trophischer Interaktionen (2010-2013)

gefördert durch: DFG  Hi848/11-1 im Rahmen der Forschergruppe Jena-Experiment.

Das Projekt ist im Schwerpunkt 1 detailliert beschrieben.

 

Wissenschaftliche Monitoringkonzepte für die Deutsche Bucht (WIMO)

gefördert durch: Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) und Niedersächsisches Ministerium für Umwelt und Klimaschutz (MU)

Im Rahmen dieses Projektverbundes beschäftigt sich die AG Planktologie mit der Fragestellung, inwieweit Biodiversität als Indikator von Ökosystemprozessen in Monitoringkonzepte eingebaut werden kann.

Homepage des Projektverbundes

Involviert: Dorothe Hodapp, Helmut Hillebrand

Koordination des Gesamtprojektes: Dietmar Kraft

Biodiversität, Sättigung von Lebensgemeinschaften, und Ökosystemfunktion in Seen

gefördert durch: Norwegian Research Council NFR

Involviert: Robert Ptacnik, Helmut Hillebrand

Koordination des Gesamtprojektes: Tom Andersen, Univ. Oslo (N)

Top-down und Bottom-up regulation von Biodiversität - Nutrient Network

gefördert durch: National Science Foundation (USA)

Homepage des Projektverbundes

Involviert: Helmut Hillebrand

Koordination des Gesamtprojektes: Elizabeth Borer and Eric Seabloom, Univ. of Minnesota (USA)

Biodiversität und Erholungsfähigkeit von Metagemeinschaften

gefördert durch: Niederländische Forschungsgemeinschaft NWO

Involviert: Helmut Hillebrand

Koordination des Gesamtprojektes: Klemens Eriksson, Univ. Groningen (NL)

Resilienz und Diversität in aquatischen Metagemeinschaften: Effekte von Dispersionsrate und der räumlichen Skala der Störung (2009-2012)

gefördert durch: DFG Hi 848/8-1

Dieses Projekt wird detailliert im Schwerpunkt 4 beschrieben.  

Abgeschlossene Projekte

2009               Functional consequences of aquatic biodiversity for ecosystem biogeochemistry and element cycling (DFG round table discussion, DFG Hi848 10-1)

2004-2005       Diversity of marine invertebrates enhances the functioning of the ecosystem” Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD: D04/04378)

2003-2006       Experimental test of biodiversity effects on ecosystem functioning in marine environments (DFG: Hi 848 1-1/-2)

2002-2003       Quantification of global patterns of biodiversity Vetenskapsrådet (VR: 621-2002-215)

 

 

Ökologen bei der Arbeit: Dan Gruner (Univ. Maryland), Elisabeth Borer (Univ. Minnesota) und Helmut Hillebrand am deutschen NutNet Standort in Papenburg (Foto: Monika Feiling).

Schwerpunkt 3: Küstenökosysteme unter veränderten Klimabedingungen

Unbestritten wird der globale Klimawandel dramatische Konsequenzen für Ökosys-teme haben. Von besonderem Interesse sind die Küstengebiete – nicht zuletzt auf-grund wirtschaftlicher Aspekte. Die Erhöhungen der mittleren Temperatur und CO2-Konzentration führen unmittelbar zu einer veränderten Saisonalität (z.B. zu verfrüh-ten Planktonblüten). Dadurch können so genannte „mismatch“-Phänomene auftreten: Höhere Ebenen der Nahrungsnetze (Konsumenten) reagieren auf Schwankungen jahreszeitlicher Entwicklungen nicht oder nur unzureichend. Aber auch indirekt führt der „global change“ zu Umbrüchen: Veränderte Strömungen wirken sich auf die Resuspension sedimentierter Nährstoffe aus, verschobene Jahreszeiten beeinflussen Stoffflüsse zwischen den Organismen des Pelagials bzw. innerhalb des Benthos und die Struktur von Lebensgemeinschaften wandelt sich.

Die meisten Untersuchungen bearbeiten sehr isolierte Aspekte dieser Umbruchphänomene. Und doch existieren eindeutige Rückkopplungen zwischen Konsequenzen und Ursachen: So führt der Verlust von Artenvielfalt unbestritten zu chemischen und physikalischen Veränderungen der Umwelt. Ebenso unbestritten haben die Veränderungen im Pelagial Auswirkungen auf Organismen des Benthos und nicht zuletzt wird auch die Nutzbarkeit der Küsten betroffen sein. Vor diesem Hintergrund müssen komplexere Experimentansätze entwickelt werden.

Aktuelle Projekte

Wiederkehrende extreme Ereignisse in räumlich ausgedehnten anregbaren Systemen: Mechanismen ihrer Entstehung und Terminierung

gefördert durch: VolkswagenStiftung

Extreme Ereignisse – außergewöhnliche Störungen also – treten in Systemen in vielfacher Ausprägung auf. Intuitiv besteht ein gewisses Verständnis darüber, was sich hinter diesem Begriff verbirgt, eine gebräuchliche Definition existiert bisher allerdings nicht. Generell fasst die Wissenschaft Störungen als seltene Ereignisse auf, die einen massiven Einfluss auf eng umgrenzte Systeme haben. Das hier vorgestellte Projekt wird Phänomene studieren, die in unregelmäßigen Zeitintervallen in instabilen bzw. leicht anregbaren Systemen auftreten. Untersuchungsgegenstände werden periodische giftige Algenblüten im Meer und rezidivierende epileptische Anfälle des menschlichen Gehirns sein. Unsere Arbeitsgruppe untersucht in diesem interdisziplinären Rahmen das Phänomen giftiger Algenblüten. Zeitreihenanalysen und Experimente werden die Konsequenzen untersuchen, die ein Aufwachsen von Dinoflagellaten und/oder Cyanobakterien in Phytoplanktongemeinschaften haben wird. Das Auftreten solcher Blüten ist nicht nur für direkte Konkurrenten und Konsumenten gefährlich, sondern auch für höhere Organismen wie Krustentiere, Fische, Vögel und Säugetiere. Einerseits können sie zur direkten Intoxikation innerhalb des Nahrungsnetzes führen. Andererseits kommt es zu Weiterleitungseffekten über die Anreicherung der Toxine in Organismen. Auch der Mensch ist von solchen toxischen Blüten betroffen. Sie können sowohl dramatische Effekte auf die Gesundheit haben als auch beispielsweise auf die industrielle Nutzbarkeit der Ressourcen. In betroffenen Gebieten etwa müssen Badeverbote verhängt werden und Produkte von Fischfarmen werden unverkäuflich. Natürlich bestehen auf den ersten Blick keine Gemeinsamkeiten zwischen Algenblüten und epileptischen Anfällen. Und doch treten beide Ereignisse in begrenzten Regionen räumlich ausgedehnter Systeme auf. Und in beiden Fällen basieren Modellansätze darauf, Dynamiken in leicht erregbaren Systemen berechnen zu können. Solche Modelle ermöglichen uns als Planktologie-AG, den Beginn und das Ende von Planktonblüten in extremen Wetterlagen einzuschätzen und vorherzusagen. Sie erlauben es, durch Manipulation verschiedener Störsignale unsere Hypothesen zu Ursachen des toxischen Algenwachstums direkt zu testen. Die darauf folgenden Experimente werden angemessen an den Modellierungsergebnissen und Zeitreihenanalysen konzipiert. Chemostat-Experimente werden eine variable Anordnung von Manipulationsszenarien erlauben. In ihnen können die mittlere Temperatur, die zeitliche Varianz abiotischer Faktoren (wie Temperatur und Nährstoffversorgung) und biotischer Faktoren (Konkurrenten- und Konsumentenabundanz) gesteuert werden. Dies ermöglicht das Simulieren verschiedener Nuancen von Störungen und auch außergewöhnlich ausgeprägter Fluktuationen. Für letztere konnte bereits gezeigt werden, dass sie die Populationsdynamik zu Lasten des Planktons beeinflussen. Außerdem bilden solche Simulationen die Basis zur besseren Einschätzung der Auswirkungen des globalen Klimawandels. Wir werden in unseren Modellen und Experimenten die absoluten Größen und zeitlichen Fluktuationen der Ressourcenbestände manipulieren, denn Beweidung (Fraß) und Ressourcenverfügbarkeit scheinen die hauptsächlichen Antriebe toxischer Algenblüten zu sein.  

Involviert: Michaela Busch, Stefanie Moorthi, Helmut Hillebrand

Koordination des Gesamprojektes: Ulrike Feudel (Theoretical Physics/Complex Systems, Institute for Chemistry and Biology of the Marine Environment, University of Oldenburg)

Kooperation: Holger Kantz (Max-Planck-Institute for Physics of Complex Systems, Dresden), Jürgen Kurths (Potsdam-Institute for Climate Impact Research, Potsdam), Klaus Lehnertz (Department of Epileptology and Interdisciplinary Center for Complex Systems, University of Bonn), Dr. D. Caron and Dr. A. Schnetzer, University of Southern California (USC), Los Angeles.

Abgeschlossene Projekte

2009                 Effect of global change on carbon sequestration and food web structure across ecosystems (DFG, Hi 848/9-1)

2005-2009         Long- and short-term effects of climate variability and physical forcing on the diversity of aquatic organisms (DFG Hi 848/3-1; 3-2 im Schwerpunktprogramm Aquashift)

2005-2008         Comparing trophic structure across ecosystems, National Center of Environmental Analysis & Synthesis, NCEAS, Santa Barbara, Ca, USA, together with Jonathan B. Shurin and Daniel Gruner

 

NCEAS Arbeitsgruppe TropComp 

Schwerpunkt 4: Räumliche und zeitliche Dynamiken von Gemeinschaftsstruktur und Diversität des Planktons

Um Diversitätsmuster beschreiben zu können, setzten Ökologen in der Vergangen-heit beinahe ausschließlich auf die Erfassung der Arten. Dieses Vorgehen hat sich in den letzten Jahren stark gewandelt, denn die Analyse räumlicher und zeitlicher Variation steht im Vordergrund. Vor allem hinsichtlich des „species turnover“, also der zeitlichen und räumlichen Diversität zwischen Habitaten (ß-Diversität) konnten wir generelle Messvariablen entwickeln. Eine Modellvorstellung des species turnover geht davon aus, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen der Artenzahl eines Habitats und den Faktoren Interaktion, Zeit und Raum. Diese Abhängigkeit, die so genannte „general species-time-area relationship“ (STAR), führte zur Etablieung von Metagemeinschaftsmodellen. Mit diesen Modellen kann die Bedeutung von Dispersion und lokaler Steuerung für die Diversitätsdynamik besser analysiert werden. Allerdings sind diese Methoden bisher kaum auf marine Gemeinschaften angewendet worden. Doch gerade hier bietet der hohe organismische Transport in marinen Systemen (Strömungen, Tiden, benthisch-pelagische Kopplung) eine ideale Grundlage, die Bedeutung räumlicher und zeitlicher Variation zu testen.

Aktuelle Projekte

Resilienz und Diversität in aquatischen Metagemeinschaften: Effekte von Dispersionsrate und der räumlichen Skala der Störung (2009-2012)

gefördert durch: DFG Hi 848/8-1

Die Analyse räumlicher ökologischer Dynamiken profitiert sehr von der Einführung so genannter Metagemeinschafts-Modelle. Sie tragen der Tatsache Rechnung, dass eine Arten-Koexistenz von Interaktionen und regionalen Transportprozessen beeinflusst ist. Wie aber verändern diese Prozesse die Reaktion einer Gemeinschaft auf Störungen und fluktuierende Umweltveränderungen? Diese Frage gewinnt besonders dann an Gewicht, wenn Störungen räumlich variabel sind. Ein experimenteller Ansatz ist die Herstellung künstlicher Metagemeinschaften. Diese bestehen aus Mikrokosmen, zwischen denen Dispersion durch kontrollierbare Verbindungen ermöglicht wird. Besiedelt werden die Versuchsansätze mit Phytoplankton und Konsumenten. Die Metagemeinschaften unterscheiden sich durch Dispersionsraten (mit Konsequenzen für den regionalen und lokalen Artenreichtum) und Koexistenzmechanismen. Letztere sind entweder bestimmt durch den so genannten colonization trade-off oder den Masseneffekt. Mortalität – als eine Form der Störung - wird in einem ersten Ansatz durch das Entfernen der Biomasse simuliert werden. Dies erlaubt im Nachgang die genaue Analyse der Erholung von Artengemeinschaften in funktioneller und struktureller Hinsicht. Unsere Vermutung ist, dass Resilienz (die Erholungsfähigkeit des Systems) eine Funktion der Dispersionsrate sowie der lokalen und regionalen Diversität ist. Außerdem erwarten wir, dass die Stärke dieses Zusammenhangs von der räumlichen Ausprägung der Störung abhängt. Im zweiten Ansatz werden wir fluktuierende Umweltbedingungen simulieren. Dies ermöglicht uns zu bewerten, welche Bedeutung die räumliche Koexistenz in ungestörten Metagemeinschaften haben kann. Insgesamt wird dieses Projekt Aussagen darüber erlauben, wie die Diversitäts-Stabilitäts-Beziehung fragmentierter Landschaften durch räumliche Prozesse gesteuert wird.

Involviert: Helmut Hillebrand, Nils Gülzow

Kooperation mit: Birte Matthiessen, IfM-GEOMAR Kiel; Bradley J. Cardinale, Univ. Michigan (USA)

Temporal and spatial turnover in phytoplankton communities (2008-2011)

gefördert durch: Berufungsmittel

Die folgenden Fragestellungen stehen im Zentrum dieses Projektes:

Wie verändert sich die Phyto- und Zooplanktondiversität über die Zeit und im Raum?

Welche Rolle spielen Umweltveränderungen (kurzfristige, saisonale und langjährige)?

Existiert ein Zusammenhang zwischen Diversitätsveränderungen und anthropo-gen beeinflussten Umweltbedingungen?

Welche Bedeutung haben Dispersion, Dominanz und die Identität der Arten für die Dynamik von Metagemeinschaften?

Welchen Einfluss hat die Heterogenität der Umweltbedingungen (z.B. unter-schiedliche Nährstoffverteilung) auf Metagemeinschaften?

Analysiert werden species turnover (Änderung der Diversitäten) und STAR (Zusam-menhang zwischen Artenzahl und Interaktion, Zeit und Raum). Dies wird vor Allem auf der Basis hoch aufgelöster Datenreihen zur Diversität im Plankton geschehen. Laborexperimente mit Metagemeinschaften sollen diese Beobachtungen ergänzen. Diese Experimente dienen der Analyse, wie sich eine Manipulation der Immigrati-ons- und Emigrationswahrscheinlichkeit auswirkt.

Involviert: Helmut Hillebrand, Sandra Meier, Robert Ptacnik

Kooperation mit: Dr. Janne Soininen, University of Helsinki (FI)

Schwerpunkt 5: Mixotrophie in marinen Ökosystemen

Aktuelle Projekte

Role of light for consumer-dynamics and nutrient turnover in microbial food webs of the marine pelagial (2010-2013)

gefördert durch: DFG Pt 5/3-1

Nach eigenen Vorarbeiten und auf der Basis bereits existierender Daten postulieren wir, dass im mikrobiellen Nahrungsnetz insbesondere Lichtintensität und Fraßdruck den Anteil mixotropher Konsumenten bestimmen. In künstlichen Nahrungsnetzen werden wir die Konkurrenz zwischen heterotrophen und mixotrophen Konsumenten entlang entsprechender Umweltgradienten systematisch untersuchen. Die gewonnenen Daten werden schließlich die Grundlage für ein stöchiometrisches Modell des mikrobiellen Nahrungsnetzes bilden. In ihm wird die Rolle der Mixotrophie besonders berücksichtigt werden.

Involviert: Robert Ptacnik

Kooperation mit: Tom Andersen, Univ. of Oslo, Norway, und Herwig Stibor, IUEM, Technopôle Brest-Iroise, France

LightDynaMix - Dynamics of microbial food webs and mixotrophy in a light gradient (2010)

gefördert durch: EU Mesoaqua

In oligotrophen Gewässern wird ein erheblicher Teil der Mikroorganismen durch die so genannten Mixotrophen gefressen. Diese pigmentierten Konsumenten ernähren sich sowohl hetero- als auch autotroph. Neuere Studien konnten zeigen, dass der Hauptteil der Bakterien durch sie kontrolliert wird. Offensichtlich hat diese Spielart der Konsumption – also das Grazing sowohl von Heterotrophen als auch Mixotrophen – weitreichende Folgen für die Remineralisierung der Nährstoffe in mikrobiellen Nahrungsnetzen. Heterotrophe Organismen sind abhängig vom Nähr-stoffgehalt ihrer Beute und ebenso betrifft dies ihre Funktion als Remineralisierer in Nahrungsnetzen (Azam et al. 1983). Im Gegensatz hierzu decken Mixotrophe ihren Energiebedarf autotroph und nutzen alle heterotroph aufgenommenen Nährstoffe zur Synthese neuer Biomasse. Während also heterotrophe Grazer übermäßig aufgenommen Nährstoffe ausscheiden und durch das so genannte „sloppy feeding“ dem Nahrungsnetz unmittelbar verfügbar machen, entzieht Mixotrophie diese Nährstoffe zunächst vollständig und bindet sie in Biomasse. Allerdings wird die Konkurrenz zwischen den beiden Ernährungsstrategien durch Verfügbarkeit von Lichtenergie gesteuert. Unsere Hypothese (L:N-Hypothese) ist daher, dass Licht die Bedeutung der Mixotrophie bestimmt. Und in der Folge sind daher Remineralisierungsprozesse in mikrobiellen Nahrungsnetzen lichtabhängige Prozesse. Am Hellenic Centre for Marine Research (H.C.M.R. Elliniko oder Kalamata) werden wir in einem Mesokosmos-Experiment natürliche Planktongemeinschaften einem Lichtgradienten aussetzen. Die Raten der Nährstoffregeneration werden mit Hilfe von Spurenanalysen gemessen, Pikoplankton wird molekularbiologisch identifiziert und Grazing- sowie Photosyntheseraten ermittelt. Zudem soll die L:N-Hypothese dieser extrem oligotrophen Umgebung getestet werden, indem wir das Zooplankton-Wachstum im Zusammenhang mit der Seston-Stöchiometrie analysieren.

Involviert: Robert Ptacnik, Stefanie Moorthi, Radka Ptacnikova

Kooperation: Paraskevi Pitta at Hellenic Centre for Marine Research (HCMR), Maren Striebel (WasserCluster Lunz, A)

 

Texte: Anja Fitter und Helmut Hillebrand