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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-62137
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6213/


INVASIVE PLANKTON : Implications of and for ballast water management

INVASIVES PLANKTON : Konsequenzen durch und für Ballastwassermanagement

Liebich, Viola

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SWD-Schlagwörter: Plankton , Invasion , Management , Ultraviolett
Freie Schlagwörter (Deutsch): Ballastwasser
Basisklassifikation: 62.94
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: van Beusekom, Justus (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.02.2013
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 24.06.2013
Kurzfassung auf Englisch: Invasive species are one of the biggest threats to our world’s oceans. The man-aided introduction of non-native organisms via a vector into new areas and their successful establishment as invasive species pose risks to native biodiversity, ecosystem services, and human health. To develop effective strategies in case of negative environmental and economic impacts, detailed knowledge about the invasion process is required.
A new comprehensive stage-transition framework is presented. It unifies invasion theories which were inconsistent in the use of terminology and it provides a mechanistic understanding of the invasion process. That makes it applicable for the development of management strategies and as a tool for scientists and decision makers. The new framework consists of three stages: introduction, establishment, and dominance. Each stage is preceded by a transition: transport, survival, and spread. Successful invaders pass these intermediate transitions which are influenced by factors like propagule pressure, invasiveness, and invasibility.
‘Invasive species’ are defined encompassing the major process events: non-native species which were transported via a vector and by that experienced a human-mediated introduction outside their normal distribution followed by dominant abundance in the recipient ecosystem. That definition excludes, however, the invader’s possible (positive or negative) impact.
The first transition in the framework is the transport via a vector and that is the best moment to mitigate introductions of species with invasive and harmful potential. Marine organisms are mainly transported via ballast water of vessels and many are able to survive in the dark tanks. In order to reduce the risk of invasions, different technologies were developed to treat ballast water according to the Ballast Water Convention adopted by the International Maritime Organization. The effectiveness of a UV-based ballast water treatment system is tested in incubation experiments over 20 days.
Long-term incubation experiments proved to be a valuable testing tool and after an initial decline in cell numbers, re-growth could be observed. Surviving phytoplankton taxa were identified for the first time: namely, the diatoms Thalassiosira, Skeletonema, Chaetoceros, Pseudo-nitzschia, and Nitzschia (order represents rank of abundance). The conclusion is that a variety of taxa are able to survive UV-treatment. Despite approved treatment according to IMO’s D-2 standard, phytoplankton species can become invasive and might become harmful by producing toxins (e.g. Pseudo-nitzschia species) or anoxic conditions following their blooms. Thalassiosira could be a suitable indicator organism for testing the efficiency of UV-units.
Methods for phytoplankton detection are used and compared: flow cytometry, cluster analysis, microscopy, and DNA-sequencing. Flow cytometry is preferable for fast organism counts. Cluster analysis and DNA-sequencing seemed unreliable to identify phytoplankton species. Results of microscopy indicate, even at species level, the re-growing phytoplankton - including species smaller than 10 µm in minimum dimension. These small organisms are so far not included in the D-2 Ballast Water Performance Standard which restricts organism counts per size class after treatment. However, they account for over 90 % of the overall phytoplankton in land-based ballast water treatment system testing, show the main re-growth after UV-treatment and electrolytic chlorination, and include harmful species. It is therefore recommended to include organisms smaller than 10 µm in minimum dimension into the D-2 standard.
This thesis showed why invasive plankton is the reason for ballast water management and in turn treatment seems to have implications for plankton invasions. Invasive plankton and ballast water management were examined based on the new framework of invasion theory. As further perspective, more research is suggested to study if ballast water treatment according to D-2 is sufficient or if amendments are needed (especially regarding smaller organisms) and if ballast water treatment is creating tough invaders.
Kurzfassung auf Deutsch: Invasive Arten sind eine der größten Bedrohungen für unsere Weltmeere. Durch die Einschleppung gebietsfremder Organismen und deren erfolgreiche Invasion werden die heimische Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen gefährdet, wobei einige invasive Arten auch gesundheitsschädlich sind. Um mögliche Kosten und öko-logische Schäden zu begrenzen, ist ein grundlegendes Verständnis des Invasions-prozesses notwendig.
Das neue konzeptionelle Modell erklärt nicht nur den Invasionsprozess, sondern vereinheitlicht auch ältere, zum Teil widersprüchliche, Prozessmodelle und die Terminologie. Dadurch kann es zur Entwicklung von Maßnahmen beitragen und Wissenschaftler und Entscheidungsträger bei ihrer Arbeit unterstützen. Das neue Modell besteht aus drei Stufen: Einschleppung, Ansiedlung und Dominanz. Jeder Stufe geht ein Zwischenschritt voraus: Transport, Überleben und Verbreitung. Erfolgreiche invasive Arten durchlaufen diese Prozessschritte unter Einflussnahme von Faktoren, wie Einschleppungsfrequenz und Volumen, den Eigenschaften der Art und des Zielhabitats.
Invasive Arten werden auf Basis des neuen Modells definiert als gebietsfremde Arten, die über einen Vektor außerhalb ihres normalen Lebensraumes eingeschleppt werden und sich im Zielhabitat dominant ansiedeln. Diese Definition bezieht jedoch nicht die möglichen positiven oder negativen Folgen der Invasion mit ein.
Der erste (Zwischen-)Schritt in dem Modell ist der Transport durch den Vektor. An diesem Schritt kann deshalb besonders gut interveniert werden, um die Einschleppung möglicher schädlicher invasiven Arten zu verhindern. Meeres-organismen werden hauptsächlich durch Ballastwasser von Frachtschiffen in andere Gebiete transportiert und können dabei auch mehrere Tage im dunklen Tank überleben. Um die Einschleppung gebietsfremder Arten zu reduzieren, wurden Ballastwasserbehandlungsanlagen entwickelt – nach den Richtlinien des Ballast-wasser-Übereinkommens der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO). Die Effektivität einer Behandlungsanlage, die UV-Strahlung zur Desinfizierung einsetzt, wurde im Rahmen von Inkubationsexperimenten über 20 Tage getestet.
Die Inkubationsexperimente erwiesen sich als sehr sinnvoll und zeigten nach einer anfänglichen Abnahme der Phytoplankton-Zellen erneutes Wachstum. Phyto-plankton-Taxa, die überlebt haben, wurden erstmals identifiziert: Thalassiosira, Skeletonema, Chaetoceros, Pseudo-nitzschia und Nitzschia (wobei die Reihenfolge ihrer Abundanz entspricht). Die Schlussfolgerung ist also, dass verschiedene Phytoplankton-Taxa die UV-Behandlung überleben. Trotz Behandlung mit einem zertifizierten System nach dem D-2 Standard der IMO verbleiben Möglichkeiten, dass Phytoplankton-Arten invasiv werden und Schäden verursachen können (z.B. durch Planktonblüten oder Toxine bildende Pseudo-nitzschia Arten). Dabei scheint Thalassiosira ein guter Testorganismus für die Effektivität von Ballastwasser-behandlungsanlagen zu sein.
Methoden zur Untersuchung von Phytoplankton wurden verglichen: Durchfluss-zytometrie, Software zur Daten-Gruppenerkennung, Mikroskopie und DNS-Sequenzierung. Um Zellzahlen zu ermitteln, erwies sich die Durchflusszytometrie als bestes Verfahren. Die Identifizierung der Arten war durch die Software zur Daten-Gruppenerkennung und die DNS-Sequenzierung nur unzuverlässig gewährleistet. Mikroskopie war die beste Methode, um Arten zu ermitteln. Dadurch war es sogar möglich, die kleineren überlebenden Phytoplankton-Gruppen zu ermitteln (kleiner als 10 µm). Bisher sind diese kleinen Organismen nicht in dem D-2 Standard enthalten, welcher die erlaubten Zellanzahlen per Größenklasse im Auspumpwasser regelt. Allerdings machen diese kleinen Organismen den größten Teil des Phytoplanktons bei den Landtests der Behandlungsanlagen aus. Sie zeigen außerdem die höchste Überlebens- und (Wiederwachstums-)Rate nach Behandlung mit UV-Strahlung oder elektrolytischer Chlorierung und beinhalten schädliche Arten. Deshalb wird empfohlen, Phytoplankton mit einer Größe kleiner als 10 µm in den D-2 Standard zu integrieren.
Diese Dissertation hat gezeigt, warum invasives Plankton der Grund für die Entwicklung von Ballastwassermanagement ist, welches wiederum Plankton-invasionen beeinflusst. Invasives Plankton und Ballastwassermanagement wurden im Rahmen des neuen Prozessmodells analysiert. Als Folgeschritt ist zu empfehlen, weiter zu untersuchen, ob der D-2 Standard des Ballastwasser-Übereinkommens ausreicht oder Änderungen im Speziellen bezüglich kleinerer Organismen notwendig sind und ob das heutige Ballastwassermanagement besonders resistente invasive Arten hervorbringt.

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