Primärproduktion und Eutrophierung in der Darß-Zingster Boddenkette. Fakten und Fragen. Rhena Schumann Angewandte Ökologie Biologische Station Zingst

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1 Primärproduktion und Eutrophierung in der Darß-Zingster Boddenkette Fakten und Fragen Rhena Schumann Angewandte Ökologie Biologische Station Zingst

2 1. Hintergrund und Historie 2. Arten und Aktivitäten 3. Tendenzen oder Trends 4. Zukünftige Ziele

3 1. Hintergrund und Historie

4 Warum die Darß-Zingster Boddenkette? 1. massive Eutrophierung eines "belasteten" Gewässers sehr flach, verlandend nährstoffreiche Sedimente sehr eingeschränkter Wasseraustausch mit Ostsee Horohalinikum 2. Bedeutung für die Ostsee Nährstoffretention Nationalpark "Vorpommersche Boddenlandschaft" 3. besonderes Phytoplankton ganzjährige Cyanobakteriendominanz kaum Jahresperiodik hohe Biomassen 4. pragmatische Gründe Biologische Station und Meteorologisches Observatorium Forschungsschwerpunkt seit 1968 (Hochschulreform) Langzeitdatenreihen Salinitäts- und Nährstoffgradient

5 F. Gladis

6 F. Gladis

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8 F. Gladis

9 F. Gladis

10 Das Gewässer Gesamtfläche 170 km 2 Zingster Strom 3 km 2 Salinität 2-12 PSU Secchi cm Mittlere Konzentrationen POC* 9.3 mg l µm TN** 176 µm TP*** 2 µm Zingst Ostseezufluss Strelasund Barthe Recknitz S a l i n i t ät eutrophe Bedingungen *1996 ** ***

11 Hypothesen der 1980er Jahre 1. In eutrophen Gewässern ist die Bedeutung des Pico- und Nanophytoplanktons am größten. 2. Stärkster limitierender Faktor der Produktion ist Licht (Selbstbeschattung). 3. Mikrobielle Nahrungsgefüge dominieren die planktischen Stoffflüsse. 4. Es gibt zumindest zeitweise noch (potentielle) Nährstofflimitation. 5. Im Zuge fortschreitender Eutrophierung werden stabile und instabile Zustände durchlaufen. Hypothesen der 1990er Jahre 1. Aggregationsphänomene spielen im Pelagial hocheutropher Gewässer eine große Rolle. 2. Dieser "Bodden Snow" fördert mikrobielle Nahrungsnetze.

12 Aufgaben der 2000er Jahre 1. Gewässerzustandsbewertung / WRRL Leitbilder historischer bzw. guter Zustand Herausarbeitung anthropogener Einflüsse Klassifizierung Bewertungsmodelle Bewertungszeitraum Gesellschaften (Phytoplankton, Makrophyten...) Validierung 2. Fortführung der Langzeitmessungen physiko-chemische Parameter Phyto- und Zooplankton Kurzzeitvariabilität 3. Besonderheiten des Phytoplanktons der eutrophierten Bodden Biomasse der Chroococcales Taxonomie der Cyanobakterien und Chlorophyten

13 2. Arten und Aktivitäten

14 R. Marquardt

15 Drastischer Rückgang der Makrophyten Schiewer (1998) submerse macrophytes phytoplankton 1. Makrophytenverlust < (40% of PP) zooplankton 2370 (4%) fish 60 (0.09%) 2. Zooplanktonrückgang 3. mehr Karpfenartige (58% of PP) detritus (sediment + decomposition) 1100 (2% of PP) zoobenthos 110 (0.2%) fishery 23 (0.03%) Ende 1980er (2.5% of PP) zooplankton 117 (0.25%) 2 fish 42 (0.09%) 3 Phytoplankton Beschattung Qualität detritus (sediment + decomposition) (2.3% of PP) (95.2% of PP) zoobenthos 107 (0.23%) fishery 27 (0.06%)

16 Das Problem: Phytoplankton Pediastrum Staurastrum Scenedesmus Anabaena, Microcystis Zingster Strom x ohne zusätzlichen Kontrast

17 Algen oder Bakterien oder? 1000x DIC Grünanregung überwiegend Cyanobakterien, viele Kolonien, vergesellschaftet mit Bakterien

18 Chroococcales Synechococcaceae Aphanothecoidae Lemmermanniella pallida Merismopediaceae Merismopedioidae Cyanonephron styloides Aphanothece clathrata Gomphosphaerioidae M. punctata Aphanocapsa spec. S. septentrionalis W. compacta

19 Oscillatoriales Pseudanabaenaceae Phormidiaceae Planktothrix agardhii Oscillatoriaceae Pseudanabaena limnetica Limnothrix planctonica, L. redekei Planktolyngbya limnetica, P. contorta Oscillatoria limosa wenig prägnante Merkmale ähnliche Arten kryptische Diversität

20 Picocyanobakterien (10 6 ml -1 ) höchste bisher publizierte Abundanzen Biovolumen 1.5 ( ) mm 3 l = Detektionsgrenze je Art 1.5 mittleres Gesamtvolumen der Unterwarnow 15 > mittlere Gesamtvolumen des Kleinen Haffs 16 S rdna Picophytoplankton Geiß et al Clone Synechococcus 4 Clone Merismopedia 2 Clone Microcystis

21 Picophytoplankton Synechococcus Aphanothece übrige Cyanobakterien Chlorophyta Bacillariophyceae Cryptophyceae Dinophyceae andere 1200 [ µg C l -1 h -1 ] 1000 b) Saaler Bodden n Biomasse =509 ( ) n Produktion = 82 ( )...stellt(e) 9 % der Biomasse und 11-14% der Produktion Exsudat Picoplankton Nanoplankton 1992 Zusammensetzung * Besonderheiten * Verwertbarkeit

22 Limitation P 1980er Jahre Schiewer /92 Viel häufiger als erwartet gab es Biomassezunahmen nach Nährstoffzugaben. eutrophe Bedingungen Dabitz Zingst Dierhagen Ribnitz J F M A M J J A S O N D P Schumann et al. 2009

23 K +N +P +NP Inkubation (d) Fluoreszenz (mv) Limitation 2009/10 25 N P NP Ft Zunahme (normiert auf K)

24 Limitation /10 µmol l -1 h zellulär frei Phosphatase: Esterase mmol O 2 g Chla -1 h I m (µmol m -2 s -1 ) +66% K1 K2 K3 P1 P2 P3 L. Westhoff Steuerung P ist limitierend. Phosphatase beweist Bedarf, P fördert Wachstum und verbessert Photosynthese.

25 3. Tendenzen oder Trends

26 Datenlage: Phytoplankton Zingster Strom 1970er Veröffentlichungen, Arteninventar monatlich Biovolumen dominierender Arten und aller Familien (Wasmund) seit 1991 im Sommer wöchentlich, im Winter 2 x monatlich DZBK Gradient 1970/80er Veröffentlichungen Stationen monatlich Frühjahr - Herbst 2006/07 6 Stationen monatlich ganzjährig ab (?) Stationen monatlich ganzjährig Biomasse und Arten 1970er 1980er Produktion 8 Stationen (in Wasmund 1990): Jahresproduktion 1 (?) Station (Börner): Tiefenintegrale 1991/2 2 Stationen: P max Station: PI seit Station (Feike): Nettoproduktion und Respiration Stationen (Marquardt): PI

27 Biomasse und Arten 2 L. planctonica Jahresperiodik 1 mg C l -1 0 Variabilität 4 A. clathrata Trend 3 T. triangulare

28 Cyanobakterientrends Biovolumen% 80 Picoplankton Aphanothece spp. sichtbare Arten gut sichtbare Arten: Gomphosphaeria Microcystis Anabaena Oscillatoria spp. Wasmund & Börner

29 Gesamtbiomasse im Trend? Maximum Jahresmittel +3% p.a. mm 3 l Daten bis 1990: Wasmund Was bedeutet die Biomassezunahme? Wodurch wird sie verursacht?

30 Funktion / Produktivität des Phytoplanktons Feike et al. submitted Trotz hoher Biomasse geringe Produktion wegen geringer euphotischer Zone.

31 Datenlage: Makrophyten gesamte Boddenkette 1972 A. Lindner 1982 J. Behrens Barther Bodden 1989 J. Teubner 1994 R. Schumann Luftbilder und Verbreitungskarten ausgwählte Transekte Mehrjähriger Abstand LUNG /WRRL experimentelle Ökologie Sporenanalysen, Keimungsverhalten Ökophysiologie: Lichtansprüche Einfluss auf die Nährstoffretention M. Feike Characeen-Oospore (ca. 4 mm)

32 Makrophyten Chara baltica Potamogeton pectinatus Teubner 1989 C. canescens + C. baltica C. canescens 1972 Lindner % 1982 Behrens -34% 1989 Teubner -Characeen 1994 Schumann

33 Auswirkungen auf das Zooplankton 2500 Eurytemora affinis Eurytemora affinis 2000 µg FM l M. Feike Daten: Heerkloß, Feike, Albrecht, Hinrich

34 Ökosystemzustand Degradation (?) Schiewer 1985 P o l y t r o p h WRRL gut / schlecht / Nutzbarkeit Referenzzustand Produktivität bestimmter Organismen anthropogener Einfluss Welche Eigenschaften? hohe (?) Produktion insgesamt Redundanz der Nischen / Stabilität Vielfältigkeit / Biodiversität...?

35 4. Zukünftige Ziele

36 Aufgaben für die 2010er Jahre 1. Fortsetzung der Langzeitreihen mehr biologische aber welche Parameter? zeitliche und räumliche Datendichte beibehalten hydrologische Modellierung 2. Auswertung der Monitoringdaten Bilanz externer und interner Nährstoffquellen Trendanalysen (multivariate) Analyse der Steuerfaktoren 3. Identifikation der Cyanobakterien und Grünalgen 4. experimentelle Ökologie Limitationsfaktoren Primärproduktion Stoff- und Energieweitergabe 5. Renaturierungsmaßnahmen / Remesotrophierung Ausbaggerung? Öffnung eines oder mehrerer Ströme? Biomanipulation?

37 Hypothesen der 2010er Jahre (?) 1. Es gibt Auswirkungen von Klimaänderungen auf das Phytoplankton. 2. Es gibt auch in eutrophen Gewässern Nährstofflimitation. 3. Die Diversität des Phytoplanktons wird anders sein als die mikroskopische Beobachtung erwarten lässt. 4. Aus dem Sediment wird P nicht / sehr wenig freigesetzt. extrazelluläre Phosphatase (100 µm ELF97- Phosphat, 4 h) an Cyanobakterienkolonien des Zingster Stroms nach 20 Jahren veränderter Nährstoffeinträge, mit neuen Methoden, mit neuen Ideen und Konzepten.

38 Mitarbeiter der Biologischen Station Zingst Rita Wulff Henning Baudler Volker Reiff Kollegen mit Langzeitdaten Norbert Wasmund Phytoplankton (bis 1990) Helmut Winkler Fischereibiologie Reinhard Heerkloß Zooplankton Martin Feike Produktion Uwe Selig Sedimente/Nährstoffe Hendrik Schubert Ronny Marquardt Makrophyten Arne Schoor Mesokosmen Fotos: F. Gladis und viele Doktorandinnen, Diplomandinnen sowie Bachelorkandidaten

39 gefördert durch Projekte und Aufträge des LUNG und nicht zuletzt mit besonderer Unterstützung der Universität Server, Nährstoffanalyser und B. Himmel