Impact of global change on coastal plankton: a multiple environmental driver approach - from cellular processes to food webs

Abstract

Phytoplankton ist für ca. 50% der globalen Primärproduktion verantwortlich und bildet die Grundlage pelagischer Nahrungsnetze. Saisonale Phytoplanktonblüten in gemäßigten Küstenlebensräumen steigern die Produktivität in diesen Systemen, während die Dynamik der Blüten direkt von abiotischen Faktoren abhängt. Menschliche Aktivitäten haben zu globalen Veränderungen der Umweltbedingungen geführt, einschließlich höherer Temperatur, Partialdruck von Kohlendioxid (pCO2) und Konzentration gelöster Nährstoffe, die die Planktongemeinschaften unter Druck setzen. Solche Umweltveränderungen haben Fragen darüber aufgeworfen, wie diese Gemeinschaften auf zukünftige Bedingungen reagieren werden. In meiner Doktorarbeit habe ich einen Multi-Driver-Ansatz angewendet, um die Auswirkungen globaler Veränderungstreiber auf Phytoplanktonzellen sowie auf Planktongemeinschaften während saisonaler Blütenereignisse zu untersuchen. Unter Verwendung von Zukunftsszenarien des „Intergovernmental Panel on Climate Change“ (IPCC) zusammen mit vorhergesagten Verschiebungen der N:P-Verhältnisse im Küstensystem zielt meine Doktorarbeit darauf ab, die für das Jahr 2100 erwarteten Umweltbedingungen realistisch zu simulieren. Angesichts der Bedeutung von Phytoplankton für die biologische Kohlenstoffpumpe untersuchte ich den Einfluss von Treibern des globalen Wandels auf den Kohlenstoffstoffwechsel und die antioxidative Kapazität der Diatomee Phaeodactylum tricornutum. Diese Phytoplankton Art wurde den Umweltbedingungen des RCP 8.5-Szenarios (+3°C und pCO2 1000 μatm) des IPCC sowie einem höheren N:P-Verhältnis gelöster Nährstoffe in einem vollfaktoriellen Design ausgesetzt. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen, dass die Temperatur der Haupttreiber hinter zellulären Prozessen ist. Die Erwärmung führte zu einer geringeren antioxidativen Kapazität, während sie die DOC-Exsudation und die Wachstumsrate positiv beeinflusste. Die Zellen waren bei der aktuellen Temperatur größtenteils unbeeinflusst von pCO2 und dem N:P-Verhältnis, und nur bei erhöhten Temperaturen wurden die Zellen anfällig für diese Umwelttreiber. Ein höherer pCO2 stimulierte die Primärproduktion unter wärmeren Bedingungen, während die Zellatmung gedämpft wurde. Ein höheres N:P-Verhältnis wirkte sich auch positiv auf die DOC-Exsudation aus. Als Ergebnis hatten die Zellen einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt, wenn sie den Bedingungen des RCP 8.5-Szenarios ausgesetzt wurden. Antioxidative Enzyme waren unter Erwärmung weniger aktiv und die Konzentration der lichtschützenden Pigmente war geringer. Alternative Oxidase-Aktivität (AOX), sowie die Akkumulation von Malondialdehyd in den Zellen erhöhte sich unter Erwärmung, was auf zellulären oxidativen Stress hinweist. Um zu beurteilen, ob Veränderungen in der Zelldynamik des Phytoplanktons auch parallel zu Veränderungen in der Struktur und Zusammensetzung der Planktongemeinschaft verlaufen, wurden zwei Mesokosmenexperimente während einer Frühlings- und Herbstblüte mit natürlichen Plankton-Nahrungsnetzen durchgeführt. Die Planktongemeinschaft wurde einem integrierten Ansatz mit mehreren Treibern ausgesetzt. Es wurden zwei verschiedene Szenarien mit höherer Temperatur und pCO2, RCP 6.0 (+1,5 °C und pCO2 800 μatm) und RCP 8.5 (+3°C und pCO2 1000 μatm) gegen Umgebungsbedingungen getestet. Die Szenarien wurden erweitert (ERCP), um auch höhere N:P-Verhältnisse einzubeziehen. Diese Experimente zeigten die Widerstandsfähigkeit der Phytoplankton-Frühlingsblüte gegenüber Treibern des globalen Wandels, bei denen die Biomasse und die Zusammensetzung der Gemeinschaft von Phytoplankton, Mikrozooplankton und Bakterioplankton in allen Szenarien ähnlich blieben. Mesozooplankton, nämlich Ruderfußkrebse, zeigten jedoch im Frühling im ERCP 8.5 eine Zunahme der Abundanz, was zeigt, dass in diesem Szenario mehr Energie von Primärproduzenten zu höheren trophischen Ebenen aufstieg. Die höhere Abundanz von Ruderfußkrebsen fand trotz des höheren N:P- und C:P-Verhältnisses des Sestons unter den ERCP-Szenarien statt, was sich unter solchen Bedingungen als kein limitierender Faktor für das Wachstum von Mesozooplankton erwies. Im Herbst zeigten die Ergebnisse, dass die Phytoplanktongemeinschaft im Rahmen des ERCP 8.5-Szenarios umstrukturiert wurde und hauptsächlich von kleineren Arten auf Kosten großer Diatomeen dominiert wurde. Der Anstieg des Coccolithophoren Emiliania huxleyi in diesem Szenario deutet auch auf mögliche funktionelle Veränderungen in der biologischen Kohlenstoffpumpe aufgrund der Verkalkungskapazität dieser Art hin. Umgekehrt wurde Mesozooplankton durch die Bedingungen des ERCP 8.5-Szenarios negativ beeinflusst und teilweise durch Mikrozooplankton ersetzt. Die mikrobielle Schleife wurde im ERCP 8.5-Szenario verstärkt, was auf einen geringeren Energiefluss zu höheren trophischen Ebenen hindeutet. Nichtsdestotrotz erwies sich in beiden Experimenten das ERCP 6.0-Szenario im Vergleich zu ERCP 8.5 als ähnlicher zu den Umgebungsbedingungen. Schließlich wurden die Ergebnisse des Herbst-Mesokosmen-Experiments durch eine inverse Modellierung und Netzwerkanalyse neu bewertet, um Kohlenstoffflüsse und Wechselwirkungen zwischen den Nahrungsnetzbestandteilen zu quantifizieren. Diese Analyse zeigt, dass die Funktionsweise des Plankton-Nahrungsnetzes im Ambient- und ERCP 6.0-Szenario ähnlich war, während im ERCP 8.5 wesentliche Änderungen festgestellt wurden. Diese Ergebnisse zeigen die höheren Kohlenstoffflüsse durch die mikrobielle Schleife im ERCP 8.5-Szenario und damit eine höhere Kapazität zum Recycling von Kohlenstoff innerhalb des Systems. Mikrozooplankton zeigte in diesem Szenario auch einen höheren Herbivory-degree und übte einen höheren Fraßdruck auf das Phytoplankton aus als Mesozooplankton. Insgesamt präsentiert diese Arbeit ein umfassendes Bild der Auswirkungen globaler Veränderungstreiber auf die Phytoplanktonphysiologie und ihre Auswirkungen auf das Plankton-Nahrungsnetz sowie Hinweise auf strukturelle und funktionelle Veränderungen in Planktongemeinschaften unter Zukunftsszenarien. Aufgrund der Tatsache, dass Plankton-Nahrungsnetze im ERCP 6.0-Szenario und Ambient im Vergleich zum ERCP 8.5-Szenario ähnlich blieben, identifiziert diese Arbeit auch, dass das Worst-Case-ERCP-Szenario zu erheblichen Veränderungen in der Planktongemeischaft führen kann.