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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-52477
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5247/


Aspects of the ecology of macrobenthic abyssal key species in the South Atlantic Ocean with focus on the Isopoda Crustacea: Malacostraca

Aspekte der Ökologie makrobenthischer abyssaler Schlüsselarten des Süd-Atlantischen Ozeans mit Fokus auf die Isopoda Crustacea Malacostraca

Würzberg, Laura

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SWD-Schlagwörter: Tiefsee , Fettsaeuren , Nahrungskette
Freie Schlagwörter (Deutsch): stabile Isotope, Isopoda, Polychaeta, Pisces
Freie Schlagwörter (Englisch): deep sea, fatty acids, stable isotopes, diet composition
Basisklassifikation: 42.71 , 42.94
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Brandt, Angelika (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.04.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 26.09.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Trophische Interaktionen in Tiefsee-Ökosystemen sind bis heute nur in einer geringen Anzahl von Studien untersucht worden. Daher war ein Ziel dieser Dissertation, trophische Interaktionen häufiger makrobenthischer Invertebraten der Tiefsee des Südlichen Atlantiks mit Hilfe eines multidisziplinären Ansatzes zu untersuchen. Zu den angewandten Methoden zählen die Analyse von Fettsäure-Kompositionen und Mageninhalten, die Messung von stabilen Isotopen Verhältnissen sowie die Berechnung von Biomasse und Produktionsraten.
Die Arbeit basiert auf Material, das während der SYSTCO (SYSTem COupling in the Southern Ocean) Expedition im Südsommer 2007/08 gesammelt wurde. Ein besonderer Fokus galt der Rolle von Isopoden innerhalb des Ökosystems. Zusätzlich wurden auch bestimmte Organismen der Meiofauna (Copepoden und Nematoden) sowie der Megafauna (Fische) untersucht, um Einblicke in trophische Kontexte der verschiedenen benthischen, benthopelagischen und Infauna-Gruppen zu erlangen.
Die Ergebnisse meiner Dissertation zeigen, dass sowohl die Ernährungsstrategien der makrobenthischen Organismen als auch der anderen Komponenten des Ökosystems komplex, vielfältig und taxon-spezifisch, oft artspezifisch sind. Trotz dieser Diversität an Ernährungsgewohnheiten sind jedoch einige generelle Trends zu beobachten.
Zum Beispiel wurden auf der einen Seite in fast allen untersuchten Organismen niedrige Fettsäuregehalte gefunden. Dies und die Dominanz von mehrfach ungesättigten Fettsäuren wie 20:5(n-3) und 22:6(n-3), zusammen mit der gesättigten Fettsäure 16:0 deuten eine Dominanz von Phospholipiden an, was auf eine niedrige Abhängigkeit der Organismen von Lipidreserven hinweist. Dies kann als Indikator dafür gesehen werden, dass Lipide nicht als Energiereserve gespeichert werden, und es ganzjährig zu einer Nahrungsaufnahme kommt, was die existierende Theorie eines permanenten “Nahrungsreservoirs” in der Tiefsee unterstützen würde.
Auf der anderen Seite wurden in den meisten untersuchten Organismen Fettsäurealkohole in unterschiedlichen Mengen gefunden. Diese sind indikativ für Wachsester, eine Lipidklasse, die typisch für Langzeitspeicherung ist. Die Fettsäurekomponente der Wachsester stammt aus der Nahrung, während die Fettsäurealkohole durch interne Biosynthese hergestellt warden. Daher deutet die Speicherung von Wachsestern möglicherweise auf einen evolutionären Prozess hin, der entwickelt wurde, um lange Hunger-Perioden zu überleben (wie zum Beispiel in polaren herbivoren Copepoden). Eine solche Strategie würde allerdings der Theorie eines permanenten Nahrungsreservoirs widersprechen. Der generell niedrige Lipidgehalt, der auf eine niedrige Abhängigkeit von Lipidreserven hinweist, und das gleichzeitige Auftreten von Wachsestern bilden somit ein widersprüchliches Szenario, welches in zukünftigen Studien näher untersucht werden sollte.
Eine potentielle mögliche Nahrungsquelle in der Tiefsee stellen zum Beispiel Bakterien dar. In dieser Studie wurden allerdings nur geringfügige Hinweise auf die Aufnahme von Bakterien in Form von bakterien-typischen Fettsäuren (z.B. 15:0, 17:0, 15:1 und 17:1) durch die untersuchten Organismen gefunden.
Dahingegen schien eine andere Fettsäure eine wichtige Rolle in der Fettsäurezusammensetzung der untersuchten Tiere zu spielen: 20:4(n-6), Arachnidonsäure. In der Tiefsee wurden schon zuvor erhöhte Mengen dieser Fettsäure im Vergleich zu anderen Ökosystemen gefunden. Ihre Herkunft ist allerdings noch umstritten. Es wurde vorgeschlagen, dass Makroalgen (vor allem Rotalgen), welche dafür bekannt sind, größere Mengen dieser Fettsäure zu enthalten, die Quelle sein könnten. Eine andere mögliche Quelle sind Foraminiferen, die ebenfalls manchmal große Mengen Arachnidonsäure enthalten. Hierfür spricht, dass für einige Tiefseeorganismen, wie z.B. bestimmte Isopoden- oder Polychaetenarten, selektives Fraßverhalten an Foraminiferen berichtet wurde. Die Protozoen wiederum können mehrfach ungesättigte Fettsäuren akkumulieren, wodurch sie eine höherwertige Nahrungsquelle verglichen mit dem Detritus darstellen. Da Foraminiferen ein wichtiger Bestandteil von Tiefseeökosystemen sind und einen substantiellen Anteil der benthischen Biomasse stellen können, spielen sie wahrscheinlich eine sehr wichtige Rolle in diesem Ökosystem.
Daten zu Lebensweise und Ernährungsgewohnheiten von Tiefsee-Isopoden sind nach wie vor nur spärlich vorhanden. Die Ergebnisse dieser Dissertation konnten zeigen, dass eine Vielzahl an Nahrungsquellen von diesen peracariden Crustaceen genutzt werden. Das Fressen von Foraminiferen könnte ein wichtiges Bindeglied im Kohlestoffkreislauf von Tiefsee-Ökosystemen darstellen. Des Weiteren stellen Isopoden offensichtlich einen großen Anteil der Biomasse in der Tiefsee des Südlichen Atlantik, jeweils abhängig von der Beschaffenheit der beprobten Region. Ein großer Grad an Taxon-Spezifität wurde sowohl für die Ernährungsweise als auch für Biomasse- und Produktionsabschätzungen gefunden. Dieses zeigt erneut die Wichtigkeit einer möglichst genauen taxonomischen Auflösung solcher Studien.
Die Ergebnisse dieser Dissertation bieten Einblicke in bestimmte Prozesse des abyssalen benthischen Ökosystems. Allerdings zeigen sie auch, dass nach wie vor viele Fragen zur Ökologie der Organismen der riesigen Tiefseegebiete der Erde offen sind. Das durch Klimawandel und Bedarf an Ausbeutung von Rohstoffen immer weiter zunehmende Interesse an der Tiefsee verlangt nach einem tiefergehenden Verständnis der funktionellen Prozesse, die in diesen Systemen vorherrschen. Dies ist die Vorraussetzung, um Veränderungen, die zu einem großen Teil auf menschlichen Einfluss zurückzuführen sind, vorauszusagen oder zumindest zu verstehen.
Kurzfassung auf Englisch: Trophic interactions of deep-sea ecosystems have to date been subject to a relatively limited number of studies. Therefore, the major aim of this thesis is to elucidate trophic interactions of common macrobenthic invertebrates in the Southern Ocean deep-sea, applying a multi-disciplinary approach utilising the analyses of fatty acid (FA) compositions, stable isotope ratios and gut contents, as well as estimates of biomass and production.
The study is based on material collected during the SYSTCO (SYSTem COupling in the Southern Ocean) cruise conducted during the austral summer 2007/08. A special focus was laid on the role of isopods within the ecosystem. However, not only macrobenthic invertebrates are included in the study, but also certain compartments of the meiofauna (nematodes and copepods) as well as megafauna (fish), in order to gain insights into trophic contexts of different benthic, benthopelagic and infaunal groups.
The results of my thesis show that the feeding strategies displayed by Southern Ocean macrobenthic organisms, as well as other ecosystem compartments are complex, manifold and taxon-specific, often even species-specific. However, as diverse the feeding habits in the abyssal might be, some underlying trends are indicated by the results of this thesis.
For example, low FA contents were found in almost all organisms analysed, with few exceptions. Additionally, the predominance of the polyunsaturated FAs 20:5(n-3) and 22:6(n-3), together with the saturated FA 16:0 found in many analysed organisms, reflects the dominance of phospholipids, further pointing towards a low dependence on lipid reserves. This can be seen as an indication that lipids are not accumulated for energy storage, and that feeding occurs throughout the year, supporting the idea of the existence of a permanent food reservoir in the deep-sea.
However, in the majority of analysed organisms, FA alcohols were detected in varying proportions. These are indicative of wax esters (WE), a lipid class typically used for long-term storage. The FA component of WE is largely derived from the diet, whereas the fatty alcohols are derived from the animal’s internal biosynthesis. Possibly the storage of wax esters indicates a general evolutionary mechanism developed to survive long starvation periods (e.g. found in higher latitude herbivorous copepods). If this is seen as such a survival strategy of deep-sea organisms periodically experiencing long starvation intervals, the “food-bank” hypothesis would have to be rejected. Thus, the generally low lipid content, pointing to a lack of lipid storage and the co-occurrence of wax esters as long-term energy storage remains somehow contradictive. The distinct mechanisms underlying these metabolic processes need to be addressed in future studies.
A feature that has been discussed to play an important role in the nutrition of deep-sea organisms is the ingestion of bacteria, which are very abundant at the deep-sea floor. However, in this study, indications for feeding on bacteria based on typical FA (e.g., 15:0, 17:0, 15:1 and 17:1) were generally only found in minor proportions.
On the contrary, another FA has been found to be important in the FA composition of many organisms analysed in this study: 20:4(n-6), arachnidonic acid (AA). Enhanced levels of this particular FA compared to other ecosystems have been previously found for deep-sea organisms. Its source, however, is still under discussion. Macroalgae (specifically red algae), known to contain high amounts of this FA, have been suggested to be the source of 20:4(n-6) also in deep-sea settings. Another possible source might be foraminiferans, which have been reported to sometimes contain high proportions of AA. For some deep-sea organisms, as e.g. some polychaete or isopod species, selective feeding on foraminiferans has previously been reported. These protozoans are capable of selective feeding on certain compartments of detritus and accumulating PUFA, thereby providing a more valuable dietary resource compared to detritus. However, the question if the original source of AA is synthesis within foraminiferans or if it is taken up with their food cannot be answered. Nevertheless, as foraminiferans are a major element in deep-sea environments which can comprise a substantial proportion of benthic biomass, they most probably play a significant role in the ecosystem.
Data on life strategies and feeding habits of deep-sea isopods still remain scarce. This thesis could show that a variety of food sources are exploited by these peracarid crustaceans. Feeding on foraminiferans, as mentioned, could be an important link in carbon cycling in deep-sea ecosystems. Additionally, isopods seem to contribute a substantial proportion of biomass in the Southern Ocean deep-sea, apparently depending on the characteristics of the investigated area. The high degree of taxon-specificity has been shown both for feeding strategies as well as biomass and production estimates. This again highlights the importance of a high taxonomic resolution in ecosystem studies.
The results presented in this thesis provide insights into certain abyssal benthic ecosystem processes. However, they also suggest that we still have to learn much more on the ecology of the organisms inhabiting the vast deep-sea areas on our planet. This knowledge will ultimately help to understand the driving mechanisms underlying evolutionary developments, selecting forces canalising distribution patterns and ecological interactions. The increasing interest in the deep-sea due to climatic changes and exploitation of resources demands an improved understanding of deep-sea ecosystem functioning. This will help predicting or at least understanding changes which are, to a great extent, induced by human impact.

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