Lakes. Pelagial. Zonation of a lake

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Volker Brahms
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1 Lakes Pelagial Zonation of a lake

2 Five zones in freshwater lakes: -Neuston layer -Limnetic zone -Profundal zone -Benthic zone -Littoral zone

3 Which kinds of organisms live in which zone? Vertical distribution of bacteria in a lake. Cyanobacteria are abundant in the epilimnion. Sulfate reducers are abundant in the lower hypolimnion. Maximal concentrations of heterotrophs occur just below the zone of maximal photosynthetic production and at the water-sediment interface.

less dense surface layer thermocline: zone of rapid temperature

4 Stratification of a lake In many lakes in temperate climates, the water mass becomes stratified during summer epilimnion: warmer and less dense surface layer thermocline: zone of rapid temperature change hypolimnion: colder and denser bottom layer Madigan et al., 2003

warms, creating a less-dense layer called epilimnion As

5 Seasonal turnover of a lake Klee, 1985 Thermal stratification of a lake During summer months, water warms, creating a less-dense layer called epilimnion As the weather cools, the layers mix, providing oxygen to the deep water

6 What is in a lake?

7 Mikroorganismen als Bestandteile des Planktons in Oberflächengewässern Die in allen Seen der Erde charakteristische Lebensgemeinschaft des Pelagials ist das Plankton, das sich aus Viren (Bakteriophagen), Bakterien, ein- bis vielzelligen Algen, Protozoen, Pilzen, und Metazoen (vorwiegend Rotatorien, Cladoceren und Copepoden) zusammensetzt. Plankton: Nekton: Gesamtheit der im Freiwasserraum vorhandenen Kleinlebewesen, deren Ortsveränderung vorwiegend passiv durch die Wasserbewegung bestimmt wird. Planktonorganismen besitzen zum Teil eine Eigenbewegung, die jedoch im Vergleich zur Wasserbewegung des Gewässers unbedeutend ist. Gesamtheit der im Freiwasserraum vorhandenden Lebewesen mit aktivem Ortswechsel ohne nennenswerte Behinderung durch Wasserbewegungen (z. B. Fische)

8 Size categories of plankton

9 Plankton organisms Kasten, 1998 Phytoplankton eines Altarms der Oder Schwoerbel, 1999

10 Seasonal variation of phytoplankton in a lake Schwoerbel, 1999

11 Störungen des Phytoplanktons bei der Trinkwasseraufbereitung 1. Filterverstopfung 2. Störung der Flockung 3. Bildung geruchsintensiver Substanzen 4. Bildung toxischer (hepatotoxischer und neurotoxischer) Substanzen (z.b. zyklische Peptide, Alkaloide) und evtl. krebsfördender Stoffe (Promotoren) Klee, 1995

12 Schema eines Seewasserwerks

13 Food chain in a lake Schwoerbel, 1999

14 Microbial loop Das aus Mikroorganismen (Bakterien, Protozoen) zusammengesetzte Nahrungsnetz transformiert gelöste organische Substanz in partikuläres Material, welches so tierischen Konsumenten verfügbar wird. EEA: extrazelluläre Enzymaktivitäten Schwoerbel, 1999

15 Zelle Aerobic degradation of polymeric organic compounds: microbial extracellular enzymes are important for the first steps in depolymerization of biopolymers, providing low-molecular-weight products that only then can be taken up and utilized by the cell.

16 Lignin

18 Huminstoffe (humic substances) in Gewässern hochmolekulare Verbindungen von gelblicher bis dunkelbrauner Farbe Bildung: - aus Abbau von Pflanzenresten im Gewässer - besonders im Boden und Eintrag ins Gewässer Hauptgruppen - Fulvosäuren, Molekulargewicht ca , gelb bis gelbbraun, wasserlöslich - Huminsäuren, Molekulargewicht ca , dreidimensional venetzte Kolloide mit Durchmesser nm - Humine, heterogene Verbindungen mit stark unterschiedlichem Molekulargewicht, fast schwarz gefärbte Fraktion Schematische Darstellung eines Huminstoffmoleküls

20 Trophiestufen der Seen ("trophic levels of lakes") Oligotrophe Seen: ("oligotrophic lake") geringe Nährstoffbelastung, geringe Algenproduktion, hohe Sichttiefe, ganzjährig hohe Sauerstoffsättigung bis zum Seegrund Mesotrophe Seen: ("mesotrophic lake") Eutrophe Seen: ("eutrophic lake") Polytrophe Seen: mäßige Nährstoffbelastung, mäßige Algenproduktion, zeitweise Algenblüten möglich, mittlere Sichttiefe, geringe Sauerstoffzehrung im Tiefenwasser und in der Sprungschicht starke Nährstoffbelastung, hohe Algenproduktion, regelmäßig Algenblüten, geringe Sichttiefe, zeitweise totaler Sauerstoffschwund im Tiefenwasser übermäßig hohe Nährstoffbelastung, massive Algenentwicklung oft mit Dominanz von Cyanobakterien, Sichttiefe nur noch im Zentimeterbereich, übermäßig hohe Sauerstoffzehrung, die den größten Teil des Wasserkörpers erfaßt

21 Eutrophic lakes Eutrophic (nutrient-rich) lakes, showing algae, cyanobacteria and macrophytes (aquatic weeds) that develop in response to pollution by inorganic nutrients.

22 Algal blooms Massive accumulations of cyanobacteria and/or algae that form in lakes or rivers

23 Photosynthesis: 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Biodegradation (aerobic): C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O Solubility of oxygen in water: ~9,5 mg L -1 (depending on temperature) Oxygen produced by photosynthesis evaporates into air Consequence: lack of oxygen, stoichometrically required for degradation of biomass

25 Phosphorous is the key factor in growth: -- Phosphorus is a necessary, limiting nutrient -- Phosphate runoff causes eutrophication

27 Determination of assimilable organic carbon (AOC) as an indicator of bacterial regrowth according to van der Kooij AOC: fraction of organic compounds that provides energy and carbon for bacterial growth Procedure: heating of water sample at 60 C for min (inactivation of water bacteria) inoculation with test bacteria ( colony-forming units(cfu)/ml) (Pseudomonas fluorescens P-17, Spirillum strain NOX) static incubation at 15 C in the dark monitoring of growth (daily determination of colony counts) determination of maximal cell concentration (N max ) calculation of AOC in µg acetate-c-equivalent/l on the basis of known yield coefficients for strain P 17 (4.1 x 10 6 cfu/µg acetate-c) and for strain NOX (1.2 x 10 7 cfu/µg acetate-c)

28 Role of slow sand filtration in AOC removal from raw water Gimbel, 1995

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