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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-69483
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6948/


Phytoplankton in deep convection : an experimental approach on the effect of temperature and short light conditions on growth and physiology

Phytoplankton in Tiefendurchmischung : ein experimenteller Ansatz des Effektes von Temperatur und Kurzlichtbedingungen auf Wachstum und Physiologie

Walter, Bettina

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Phytoplankton , Tiefendurchmischung , Lichtakklimatisierung , Temperature
Freie Schlagwörter (Englisch): phytoplankton , deep convection , light acclimation , temperature
Basisklassifikation: 42.94
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Beusekom, Justus van (Vertr.-Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.12.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 01.09.2014
Kurzfassung auf Englisch: The phytoplankton spring bloom of the North Atlantic is one of the largest biological events on earth. It strongly affects the biogeochemical cycle and the entire marine food web. Previous winter conditions strongly affect the timing and composition of the spring bloom Low light availability during deep convection was assumed to prevent phytoplankton growth in winter. However, noticeable chlorophyll a concentration were determined in a convective mixed layer and phytoplankton cells are transported via convection through the entire convective cell and thereby visit frequently the euphotic zone for short periods. These short periods of light availability may allow phytoplankton productivity in winter. Yet, very little is known about algae growth and physiology in a deep convection situation.

In this thesis different laboratory experiments were carried out to test the growth of the diatom Thalassiosira weisflogii under different light and temperature conditions, simulating deep convection. Oxygen development, biochemical compounds and photosynthetic efficiency were measured to study surviving strategies and acclimation processes to low light availability. Furthermore, the effect of different over-wintering conditions (complete darkness and deep convection) on the onset of a spring bloom were addressed by comparing differences in surviving strategies and possible competition between two different phytoplankton species (Thalassiosira weisflogii and Rhodomonas sp.).
T. weissflogii showed positive growth rates under two hours light per day at temperatures above 8°C. Under comparable experimental conditions positive net primary production was calculated from continuous oxygen measurements explaining these positive growth rates.
The comparison of two different light intensities with the same daily light dose indicated much higher growth rates for the low light scenario under non-limiting temperature conditions. This strongly emphazises that compensation irradiance may not be the correct tool to describe the limit of phytoplankton growth. Furthermore, raising daily light doses applied in different light combinations did not cause a significant increase in net primary production or growth. Only lower light intensities applied over longer light periods allowed growth supporting acclimation processes such as an increase of chlorophyll a. Short light conditions apparently reduced the available time for acclimation processes during the light phase and prevented a complete establishment of photosynthetic capacity which was reduced during the long dark periods.
Furthermore, high carbohydrate reserves produced during the short light phases were needed for the maintenance of the metabolism during the prolonged darkness and were thus not available for growth.
However, the fact that dark respiration rate was only about 7 % of the photosynthetic rate at optimal temperatures might be a reason for the positive growth even under unfavorable light/dark cycles.
Dark respiration was less temperature dependent than photosynthesis. The temperature behavior of photosynthesis and dark respiration let assume that an increase of sea surface temperature due to climate change would increase phytoplankton productivity during winter in higher latitudes.
Different winter situations (applied for two weeks) did not effect the growth of T. weissflogii and Rhodomonas sp. after re-illumination. The diatom could withstand winter conditions much better than the cryptophyte, in terms of (i) lower mortality, less decomposition of chlorophyll a and carbohydrates under complete darkness, (ii) low positive growth under deep convection conditions and (iii) higher growth rates when being exposed to spring bloom conditions. Thus, diatoms have due to their high acclimation potential to changing environmental conditions a strong selective advantage over other phytoplankton species during the onset of a spring bloom.

In conclusion, the experiments demonstrated that short light windows provided by convective transport allow phytoplankton growth and might be the reason for relatively high chlorophyll a concentrations within the convective mixed layer. Due to the strong temperature dependence of photosynthesis, temperature limitation may be an important factor controlling winter growth rates. The finding of this thesis emphasize the need to include winter productivity into ecosystem models as a dynamic process depending on the light history of a phytoplankton cell. However, new growth rates must be determined for model parameterization as the calculation of primary production with growth rates coming from experiments with constant low light intensities may lead to an overestimation of primary production of up to 50% in well mixed water bodies.
Kurzfassung auf Deutsch: Die nordatlantische Phytoplankton-Frühlingsblüte ist eines der größten biologischen Ereignisses der Erde. Sie hat einen starken Einfluss auf den biogeochemischen Kreislauf und bildet die Grundlage für das gesamte marine Nahrungsnetz. Der Start und die Zusammensetzung der Frühjahrsblüte hängen von den vorhergehenden Winterbedingungen ab. Lange Zeit wurde angenommen, dass die geringe Lichtverfügbarkeit, hervorgerufen durch die tiefe Durchmischung der Wassersäule im Winter, Phytoplanktonwachstum verhindert. Dahingegen wurden messbare Chlorophyll a Konzentrationen in der durchmischten Wasserzelle im Winter gemessen, da Phytoplanktonzellen mit der Konvektion durch die gesamte Zelle transportiert werden und so für kurze Zeit in die euphotische Zone gelangen. Diese kurzen Lichtabschnitte werden für das Auftreten von positiver Phytoplankton-Primärproduktion verantwortlich gemacht, wobei nur wenig über das Wachstum und die Physiologie der Algen in Tiefendurchmischung bekannt ist.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Laborexperimente durchgeführt, die das Wachstum der Diatomee Thalassiosira weissflogii unter verschiedenen tifendurchmischungssimulierenden Lichtbedingungen und Temperaturen untersuchten. Um Überlebensstrategien und Akklimatisierungsprozesse an Schwachlicht aufzudecken, wurde die Sauerstoffentwicklung, biochemische Komponenten und die photosynthetische Effizienz gemessen. Weiterhin wurde die Auswirkung verschiedener Überwinterungsbedingungen (vollständige Dunkelheit und Tiefendurchmischung) auf die Entwicklung einer Frühjahrsblüte an zwei verschiedenen Phytoplanktonarten (Thalassiosira weissflogii und Rhodomoans sp.) untersucht, um unterschiedliche Überlebensstrategien und mögliches Konkurrenzverhalten aufzudecken.

Bei Temperaturen oberhalb von 8°C zeigte T. weissfolgii positives Wachstum, wenn sie zwei Stunden Licht pro Tag ausgesetzt wurden. Positive Nettoprimärproduction wurde bei vergleichbaren experimentellen Bedingungen anhand von kontinuierlichen Sauerstoffmessungen errechnet. Durch den Vergleich zweier unterschiedlicher Lichtbedingungen der gleichen täglichen Lichtmenge konnte gezeigt werden, dass sich der Lichtkompensationspunkt nicht für die Beschreibung eines Wachstumslimits für Phytoplankton eignet. Dies wurde unterstrichen durch die Beobachtung, dass ein Anstieg der täglichen Lichtmenge wenn sie in unterschiedlichen Tag/Nacht Zyklen verabreicht wurde zu keinem Anstieg der Nettoprimärproduktion führte.
Wachstumsfördernde Akklimatisierungsprozesse, wie etwa eine Anreicherung von Chlorophyll a wurden nur unter lang andauernder Schwachlicht Bestrahlung beobachtet. Kurztagsbedingungen verkürzen die Zeit für Akklimatisierungsprozesse in der Lichtphase und ließen keine vollständige Entwicklung der photosynthetischen Kapazität, die während der langen Dunkelphasen reduziert wurde, zu.
Ein Großteil der Speicherstoffe wurde während der langen Dunkelphase verbraucht. Eine Erklärung für das Auftreten von Wachstum auch unter unvorteilhaften Lichtzyklen könnte sein, dass die Dunkelveratmung nur 7 % der Photosyntheserate entsprach.
Die Dunkelveratmung wurde weniger von der Temperatur beeinflusst als die Photosynthese. Diese Temperaturabhängigkeit lässt vermuten, dass das Phytoplanktonwachstum während eines vom Klimawandel verursachten Anstieg der Temperatur zunehmen würde.
Unterschiedliche Winterbedingungen hatten keinen Effekt auf das Phytoplanktonwachstum nach erneuter Bestrahlung. Die Diatomee konnte die Winterbedingungen besser überdauern als die Flagellate. Sie wies eine geringer Sterblichkeit und einen geringeren Abbau von Chlorophyll und Kohlenhydraten, in vollständiger Dunkelheit auf. Weiterhin zeigten sie positives Wachstum unter simulierten Tiefendurchmischungsbedingenen und eine höhere Wachstumsrate nach Belichtung unter simulierten Frühlingsblütenbedingungen als die Flagellate. Auf Grund ihrer hohen Anpassungsfähigkeit an Veränderungen ihrer Umwelt haben Diatomee bei Beginn einer Frühjahrblüte einen Vorteil gegenüber der meisten Phytoplanktonarten.
Zusammenfassend zeigten die Experimente, die kurze Lichtintervalle, die durch den Transport von Zellen durch die durchmischte Zelle entstehen, der Grund für die hohen Chlorophyll a Werte im Winter in der Wassersäule sind. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit bestärken die Notwendigkeit die Phytoplankton Produktivität im Winter als einen dynamischen Prozess in Ökosystemmodelle einzubauen. Für diesen Prozess müssen allerdings neue Wachtumsraten bestimmt werden, da die Verwendung von herkömmlichen Wachstumsraten, die unter konstanten Schwachlichtbedingungen bestimmt wurden zu einer Überschätzung der Primärproduktion um etwas 50% führen kann.

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