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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-61758
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6175/


Impacts of trophodynamics and climate-induced habitat changes on zooplankton distribution and behavior: An optical sampling approach

Einflüsse von Trophodynamik und klimatisch bedingter Habitatsveränderungen auf die Verteilung und das Verhalten von Zooplankton

Möller, Klas Ove

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SWD-Schlagwörter: Zooplankton , Ostsee , Habitat , Klimaänderung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Video Plankton Rekorder , Verteilung , Vertikalwanderung , Marine snow , Verhalten
Freie Schlagwörter (Englisch): Video Plankton Recorder , Zooplankton , Distribution , Vertical migration , Marine snow , Behavior
Basisklassifikation: 42.94
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: St. John, Michael (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.02.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 23.05.2013
Kurzfassung auf Englisch: Planktonic organisms serve as the productive base of aquatic ecosystems, play a major role in oceanic food webs and have an important impact on the ocean’s carbon cycle. Therefore, it is necessary to understand the processes which control the spatial and temporal distribution as well as the abundance of these organisms. However, resolving this distribution is particularly challenging since aquatic ecosystems are characterized by an immense variability in biotic and abiotic components and traditional methods are limited in their sampling resolution. The present thesis was designed to overcome this spatial and temporal limitation of traditional sampling gears by using an optical approach to investigate distribution patterns and behavioral responses of plankton organisms on small scales. The Video Plankton Recorder (VPR) a digital underwater camera system towed by a research vessel was employed to investigate trophodynamic interactions and potential impacts of climate-induced habitat changes on the distribution and behavior of our model species Pseudocalanus acuspes, a key zooplankton species in the Baltic Sea.
The VPR was applied during several cruises in the Central Baltic Sea, specifically in the Bornholm Basin. This non-invasive sampling method allowed the quantification of marine snow aggregates and revealed a pronounced thin layer that was associated with the strong density gradient of the permanent halocline, characteristic for deep Baltic basins. Both features are novel results for the Baltic Sea and generally rarely observed in marine ecosystems. Furthermore, high concentrations of copepods, mainly P. acuspes, were observed being directly attached to marine snow aggregates within this layer and demonstrated signs of typical feeding behavior. This indicated that feeding on marine snow in the halocline might be crucial for the survival of copepods that are confined to the deep layers of the basins.
Observations of individual copepods with the VPR and hydroacoustic estimates of predatory fish biomass were combined to identify behavioral responses and predator-prey interactions. Due to the limited taxonomic resolution of the majority of VPR images, only ovigerous females were used in the analysis since the conspicious external egg sac allowed discrimination from other developmental stages and copepod species and, hence, species-specific behavioral observations of a certain life-stage could be performed. This results revealed a „classical“ diurnal migration pattern (DVM) for P. acuspes, never observed before. With continuous sampling over the entire day-night cycle this study presents first in-situ observations of an immediate response of individual copepods in relation to their predator as well as first in-situ evidence of strong individual variation in a marine copepod species´ DVM. Most of the P. acuspes females showed a general trend of downward migration during day, but some individuals responded to the presence of predators with an upward movement towards the surface. The two different behavioral modes of P. acuspes in the Baltic Sea indicate that different predator avoidance strategies exist within a population.
Climate-induced changes in the Baltic Sea during the last decades were reflected by a reduction in the frequency of major inflow events leading to a deepening of the halocline and hypoxic or anoxic conditions of the deep water. Comparing pre- and post-inflow situations elucidated the negative impact of climate-induced habitat changes on this key species during so-called stagnation periods without inflow. Improved food and habitat conditions led to a deeper distribution of individuals. The increased suitable habitat resulted in stronger spatial separation between predatory fish and P. acuspes and, hence, to reduced predation pressure. The latter resulted in the observed higher abundances and absence of DVM behavior. These results demonstrate that bottom-up (food and hydrography) and top-down (predation pressure) mechanisms in a complex interplay contribute to lower abundances during stagnation periods through both direct- and indirect mechanisms. Furthermore, applying a new developed method of in-situ egg production from VPR-derived images revealed that reduced abundances of P. acuspes during stagnation periods without inflow events are also caused by negative effects on survival of early life-stages. This results show the strong impact that climate-induced changes in the physical habitat can have on key marine ecosystem species, important for overall ecosystem dynamics.
The present study emphasizes the potential of optical methods to resolve plankton distribution patterns and behavior on appropriate scales which will gain further insight into plankton ecology since the key to prediction and understanding lies in the elucidation of mechanisms underlying the observed patterns (Levin 1992).




Kurzfassung auf Deutsch: Planktonorganismen sind die Basis aller aquatischen Ökosysteme, spielen eine fundamentale Rolle in den Nahrungsnetzen der Ozeane und haben außerdem einen beträchtlichen Einfluss auf den Kohlenstoff-Kreislauf in den Weltmeeren. Demzufolge ist es unerlässlich die Prozesse zu verstehen, welche den räumlichen und zeitlichen Verteilungsmustern, sowie der Abundanz dieser Organismen zu Grunde liegen. Die Auflösung dieser Verteilungsmuster ist jedoch eine besondere Herausforderung, da aquatische Ökosysteme durch eine immense Variabilität in deren biotischen und abiotischen Bestandteilen gekennzeichnet sind, und herkömmliche Beprobungs-Methoden nicht die nötige Auflösung für diese Muster besitzen. In dieser Arbeit wurde ein optisches Verfahren eingesetzt um kleinskalige Verteilungsmuster und Verhaltensweisen von Planktonorganismen zu untersuchen und somit die Einschränkungen in der räumlichen und zeitlichen Auflösung von herkömmlichen Beprobungs-Methoden zu überwinden. Der Video Plankton Rekorder (VPR), ein digitales Unterwasser Kamera-System, das von einem Forschungsschiff geschleppt wird, wurde eingesetzt um die Auswirkungen trophodynamischer Interaktionen sowie klimatisch bedingter Habitatsveränderungen auf die kleinskaligen Verteilungsmuster und das Verhalten von Pseudocalanus acuspes, zu untersuchen.
Die nicht-invasive optische Beprobungs-Methode ermöglichte die Quantifizierung von sogenannten „Marine snow“ Aggregaten, welche sich in dem für die tiefen Ostsee-Becken charakteristischen und ausgeprägten Dichtegradienten, der permanenten Halokline, konzentrierten. Diese konzentrierte Schicht von Marine snow Aggregaten wurde erstmals für die Ostsee beschrieben und auch in anderen marinen Ökosystemen zuvor selten untersucht. Hohe Dichten von Copepoden wurden innerhalb dieser Schicht beobachtet und wiesen ein für die Nahrungsaufnahme typisches Verhalten auf. Diese Beobachtung impliziert, dass die in der Halokline konzentrierten Marine snow Aggregate eine überlebenswichtige Nahrungsquelle für Copepoden Arten darstellen, deren Lebensraum auf die tiefen Becken beschränkt ist.
Aufnahmen individueller Copepoden mit dem VPR und hydroakustische Daten der Fischverteilung wurden gemeinsam betrachtet um Räuber-Beute Interaktionen und Reaktionen im Verhalten der Copepoden zu entschlüsseln. Eine „klassische“ vertikale Tageswanderung (DVM) wurde für P. acuspes beobachtet. Die kontinuierliche Probennahme mit dem VPR über den gesamten Tag-Nacht Verlauf ermöglichte zudem die ersten direkten in-situ Beobachtungen einer unmittelbaren Verhaltensreaktion von einzelnen Copepoden gegenüber Räubern, und ausserdem den ersten in-situ Nachweis von ausgeprägten individuellen Abweichungen im DVM Verhalten einer marinen Copepoden Art. Die zwei unterschiedlichen Verhaltensweisen deuten darauf hin, dass unterschiedliche Räuber-Vermeidungsstrategien innerhalb einer Population existieren.
Während der letzten Jahrzehnte haben sich klimatisch bedingte Veränderungen in der Ostsee besonders durch eine geringere Häufigkeit von sogenannten Einstrom-Ereignissen bemerkbar gemacht, so daß es zu einem Absinken der Halokline und zu hypoxischen bis anoxischen Bedingungen im Tiefenwasser kam. Der Vergleich von Prä- und Post-Einstrom Verhältnissen zeigte deutliche negative Auswirkungen auf das Habitat dieser Schlüsselart zu Stagnationszeiten ohne Einstrom. Verbesserte Nahrungs- und Habitatsbedingungen nach dem Einstrom resultierten in einer tieferen Verteilung von Individuen. Die Vergrößerung des geeigneten Habitates hat vermutlich zu einer stärkeren räumliche Trennung zwischen Fischen und P. acuspes und damit zu einem geringeren Prädationsdruck geführt. Letzterer wird als Ursache für den beobachteten Anstieg der Abundanz und dem Ausbleiben des Wanderungsverhaltens angenommen. Diese Ergebnisse zeigen, dass sogenannte „bottom-up“ (Nahrung und Hydrographie) und „top-down“ (Prädationsdruck) Mechanismen in einem komplexen Wechselspiel stehen, so daß es in Stagnationszeiten zu niedrigeren Abundanzen kommt. Diese Ergebnisse verdeutlichen welchen starken Einfluss klimabedingte Veränderungen auf das Habitat von Schlüsselarten und damit auf die Struktur mariner Ökosystemen haben kann.
Diese Arbeit betont die neuen Möglichkeiten von optischen Methoden zum Erfassen von kleinskaligen Plankton-Verteilungsmustern und -Verhaltensweisen. Diese Methoden haben die Möglichkeit weiteren Einblick in den Bereich der Planktonökologie zu geben, da der Schlüssel zur Voraussage und dem Verständnis in der Aufklärung der Mechanismen liegt, welche diese beobachteteten Muster bedingen (Levin 1992).

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