Interactive effects of environmental drivers on boreal-Arctic seaweeds in response to climate change

Abstract

Der durch den Klimawandel bedingte Temperaturanstieg zeigt sich am deutlichsten in den hohen Breitengraden. Aufgrund des Prozesses der arktischen Verstärkung (Arctic Amplification) ist die Amplitude der Veränderungen einer Reihe von Umweltfaktoren in polaren Ökosystemen am stärksten ausgeprägt. Die Inselgruppe von Spitzbergen in der hohen Arktis bildet hier keine Ausnahme. Ihre Fjorde werden seit über 100 Jahren eingehend untersucht und lieferten bereits wichtige Erkenntnisse über die Gegenwart und Zukunft arktischer Ökosysteme angesichts des Klimawandels. Spitzbergen beherbergt eine große Diversität mariner Organismen, darunter auch Großalgen. Da es sich hierbei um sessile Organismen handelt, sind sie ständig starken jahreszeitlichen Schwankungen ausgesetzt und in den letzten Jahrzehnten stark von der Veränderung der abiotischen Faktoren aufgrund des Klimawandels betroffen. Insbesondere der Temperaturanstieg wirkt sich direkt auf die Ökophysiologie und die Verbreitung von Algen in der Arktis aus. Andererseits sind die Auswirkungen des Zusammenspiels abiotischer Faktoren auf die arktischen Algen noch immer ein wenig erforschtes Gebiet. Als Reaktion auf Umweltveränderungen zeigen Algen unterschiedliche Anpassungen, sowohl auf physiologischer als auch auf biochemischer Ebene. Während sich die meisten Studien bisher mit den habitat-bildenden Brauntangen (“kelps”) befassten, wurden andere häufig vorkommende und daher ökologisch relevante Algenarten noch nicht ausreichend untersucht. Um jedoch die Veränderungen der Artenvielfalt in arktischen Fjordsystemen infolge von Umweltveränderungen zu erfassen, sind Informationen über die physiologische Toleranz einer Vielzahl von Arten unerlässlich. Ziel dieser Studie ist es daher, die Anpassungsmechanismen der Braunalge Desmarestia aculeata und der Rotalge Palmaria palmata aus einem hocharktischen Fjordsystem (Kongsfjorden, Svalbard) an veränderte und interagierende Umweltfaktoren zu charakterisieren. Die Akklimatisierung an abiotische Faktoren wie Temperatur und Bestrahlungsstärke wurde bei D. aculeata und P. palmata in Publikation I untersucht. Beide Arten wurden im Sommer 2019 im Kongsfjord, Svalbard, gesammelt und 21 Tage lang verschiedenen Temperaturen von 0, 4 und 8 °C sowie einer konstanten Bestrahlungsstärke von 50 - 500 µmol Photonen m-2 s-1 ausgesetzt. Die ähnliche geografische Verteilung der beiden untersuchten Arten impliziert auch ein ähnliches Akklimatisierungspotenzial. Da D. aculeata eine Algenart ist, die im Allgemeinen im oberen Subtidal und unteren Intertidal wächst, reagierte sie sehr empfindlich auf die Wechselwirkung von Bestrahlungsstärke und Temperatur, während P. palmata, eine Algenart, die im Intertidal lebt, eine höhere Toleranz gegenüber konstant hoher Bestrahlungsstärke zeigte. IV Dennoch hat sich gezeigt, dass der Temperaturanstieg ein wichtiger Faktor für die physiologische und biochemische Akklimatisation der beiden Arten ist. In arktischen Fjordsystemen wird ein Anstieg des Schmelzwasserabflusses aufgrund wärmerer Temperaturen, schmelzenden Schnees und kalbender Gletscher beobachtet. Infolgedessen sind die benthischen Arten des Flachwassers häufig einem niedrigen Salzgehalt und eisfreien Bedingungen ausgesetzt. Die Toleranz gegenüber Hyposalinität und die ausgeprägten Schwankungen der Bestrahlungsstärke im Tagesverlauf wurden bei P. palmata untersucht (Publikation II). Individuen dieser Rotalgenart wurden im Sommer 2019 gesammelt. Die Proben wurden bei einer konstanten Temperatur von 0 °C und unter einem täglichen Bestrahlungszyklus kultiviert, der arktische Sommerbedingungen und unterschiedliche Salzgehalte bei SA 34, 28 und 18 nachahmt, um die Auswirkungen des Schmelzwasserabflusses in Fjordsystemen zu simulieren. Die Hyposalinitätsbedingungen wirkten sich stark auf die tägliche photosynthetische Regulation von P. palmata aus. Die Abnahme der maximalen Quantenausbeute des Photosystems II (Fv/Fm) und eine geringe nicht-photochemische Löschung der Chlorophyllfluoreszenz (“non-photochemical quenching” - NPQ) am Ende des Experiments zeigen eine Abnahme der Reaktionsfähigkeit von P. palmata auf Schwankungen der täglichen Bestrahlungsstärke unter Hyposalinitätsbedingungen. Offensichtlich ist P. palmata in hohen Breitengraden nur begrenzt in der Lage, sich an niedrige Salzgehalte anzupassen, wie die Schädigung der Photosynthese und schließlich der Pigmentabbau zeigen. Folglich könnten verstärkt hyposaline Bedingungen, die durch Schmelzwasserabfluss in arktische Fjorde verursacht werden, zur Abwanderung von P. palmata in tiefere Gewässer oder Gebiete mit höheren Salzgehalten führen, wie z. B. die offenen Küsten des Spitzbergen-Archipels. Die Auswirkung von Schmelzwasser und die Interaktion von Hyposalinität und Bestrahlungsstärke wurde auch an der Braunalge D. aculeata in Publikation III untersucht. Die kontrollierten Hyposalinitätsbedingungen, denen D. aculeata ausgesetzt war, führten nicht zu einer physiologischen und biochemischen Schädigung der Proben. Obwohl D. aculeata auch die Gezeitenzone bewohnen kann, kann eine hohe Bestrahlungsstärke dennoch einen begrenzenden Kontrollfaktor für diese Art darstellen. Dies liegt daran, dass D. aculeata eine gewisse Variation der gemessenen Parameterwerte bei hoher und niedriger Bestrahlungsstärke zeigte, was ein mögliches Zeichen für Lichtstress ist.