TY - THES A1 - Fabian, Jenny T1 - Effects of algae on microbial carbon cycling in freshwaters BT - with focus on the utilization of leaf carbon by heterotrophic bacteria and fungi N2 - Microbial processing of organic matter (OM) in the freshwater biosphere is a key component of global biogeochemical cycles. Freshwaters receive and process valuable amounts of leaf OM from their terrestrial landscape. These terrestrial subsidies provide an essential source of energy and nutrients to the aquatic environment as a function of heterotrophic processing by fungi and bacteria. Particularly in freshwaters with low in-situ primary production from algae (microalgae, cyanobacteria), microbial turnover of leaf OM significantly contributes to the productivity and functioning of freshwater ecosystems and not least their contribution to global carbon cycling. Based on differences in their chemical composition, it is believed that leaf OM is less bioavailable to microbial heterotrophs than OM photosynthetically produced by algae. Especially particulate leaf OM, consisting predominantly of structurally complex and aromatic polymers, is assumed highly resistant to enzymatic breakdown by microbial heterotrophs. However, recent research has demonstrated that OM produced by algae promotes the heterotrophic breakdown of leaf OM in aquatic ecosystems, with profound consequences for the metabolism of leaf carbon (C) within microbial food webs. In my thesis, I aimed at investigating the underlying mechanisms of this so called priming effect of algal OM on the use of leaf C in natural microbial communities, focusing on fungi and bacteria. The works of my thesis underline that algal OM provides highly bioavailable compounds to the microbial community that are quickly assimilated by bacteria (Paper II). The substrate composition of OM pools determines the proportion of fungi and bacteria within the microbial community (Paper I). Thereby, the fraction of algae OM in the aquatic OM pool stimulates the activity and hence contribution of bacterial communities to leaf C turnover by providing an essential energy and nutrient source for the assimilation of the structural complex leaf OM substrate. On the contrary, the assimilation of algal OM remains limited for fungal communities as a function of nutrient competition between fungi and bacteria (Paper I, II). In addition, results provide evidence that environmental conditions determine the strength of interactions between microalgae and heterotrophic bacteria during leaf OM decomposition (Paper I, III). However, the stimulatory effect of algal photoautotrophic activities on leaf C turnover remained significant even under highly dynamic environmental conditions, highlighting their functional role for ecosystem processes (Paper III). The results of my thesis provide insights into the mechanisms by which algae affect the microbial turnover of leaf C in freshwaters. This in turn contributes to a better understanding of the function of algae in freshwater biogeochemical cycles, especially with regard to their interaction with the heterotrophic community. N2 - Die mikrobielle Verarbeitung von organischer Biomasse in Süßwasser nimmt eine fundamentale Rolle in den globalen biogeochemischen Nährstoffkreisläufen ein. Ein Großteil der organischen Biomasse gelangt aus der terrestrischen Umgebung, insbesondere aus dem Blattlaubeintrag, in die Gewässer und stellt eine wesentliche Energie- und Nährstoffquelle für die aquatische Umwelt dar. In die aquatischen Nahrungsnetze gelangt das terrestrische Material vorwiegend durch mikrobielle Umsatzprozesse, an denen vor allem heterotrophe Bakterien und Pilze beteiligt sind. Der mikrobielle Umsatz von Blattlaub kann die biogeochemischen Prozesse aquatischer Ökosysteme signifikant beeinflussen und nicht zuletzt deren Beitrag zum globalen Kohlenstoffkreislauf. Das gilt insbesondere für Gewässer, in denen die in-situ Produktion organischer Biomasse durch aquatische Algen sehr gering ist. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung wird angenommen, dass Blattbiomasse für die mikrobielle Gemeinschaft schlechter abbaubar und damit weniger bioverfügbar ist als photosynthetisch produziert Biomasse durch Algen. Das gilt insbesondere für das partikuläre Blattmaterial, welches vorwiegend aus strukturell komplexen und aromatischen Polymeren besteht. Neue Forschungsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass Algen den enzymatischen Abbau von Blattmaterial stimulieren (Priming Effekt), und den Umsatz von Blattkohlenstoff innerhalb des mikrobiellen Nahrungsnetzes signifikant beeinflussen. In meiner Doktorarbeit habe ich die zugrundeliegenden Mechanismen dieses Priming Effekts von Algenbiomasse auf die mikrobiellen Umsatzprozesse von Blattkohlenstoff innerhalb natürlicher mikrobieller Gemeinschaften untersucht. Der Fokus lag dabei vor allem auf aquatische Pilz- und Bakteriengemeinschaften. Die von mir erbrachten Arbeiten verifizieren, dass Algenbiomasse für die mikrobielle Gemeinschaft teilweise hoch verfügbar ist (Studie II). Meine Arbeiten unterstreichen jedoch, dass Algenbiomasse vor allem von Bakterien assimiliert wird und deren Beitrag zum mikrobiellen Blattumsatz stimuliert. Die Bakteriengemeinschaft erhält über das Algenmaterial vermutlich essentielle Energie- und Nährstoffquellen, die ihnen die Assimilation des strukturell komplexen Blattkohlenstoffs erleichtert. Im Gegensatz dazu scheint die Pilzgemeinschaft das Algenmaterial nicht direkt nutzen zu können, vermutlich bedingt durch deren schwache Konkurrenz mit Bakterien um das Algensubstrat (Studie I, II). Darüber hinaus liefern die Ergebnisse einer weiteren Studie Hinweise darauf, dass Umweltbedingungen die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Algen und heterotrophen Bakterien während der Zersetzung der Blattbiomasse bestimmen (Studie I, III). Die stimulierende Wirkung der photoautotrophen Algenaktivität auf den Blattkohlenstoff Umsatz blieb jedoch selbst unter hochdynamischen Umweltbedingungen signifikant, was ihre funktionelle Rolle für Ökosystemprozesse unterstreicht (Studie III). Die Ergebnisse aus den Arbeiten meiner Promotion geben Einblicke in die Mechanismen des mikrobiellen aquatischen Blattabbaus und welche funktionelle Rolle Algen hierbei haben. Das trägt zu einem besseren Verständnis der Funktion von Algen in den biogeochemischen Kreisläufen der Süßgewässer bei, insbesondere mit Hinblick auf die Interaktion der heterotrophen Gemeinschaft mit Algenbiomasse. KW - stable isotope tracer KW - organic matter KW - microbial carbon turnover KW - microbial interactions KW - stabile Isotope Tracer KW - organisches Material KW - mikrobieller Kohlenstoffkreislauf KW - mikrobielle Interaktionen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422225 ER - TY - THES A1 - Morling, Karoline T1 - Import and decomposition of dissolved organic carbon in pre-dams of drinking water reservoirs T1 - Eintrag und Abbau von gelösten Kohlenstoffen in Vorsperren von Trinkwassertalsperren N2 - Dissolved organic carbon (DOC) depicts a key component in the aquatic carbon cycle as well as for drinking water production from surface waters. DOC concentrations increased in water bodies of the northern hemisphere in the last decades, posing ecological consequences and water quality problems. Within the pelagic zone of lakes and reservoirs, the DOC pool is greatly affected by biological activity as DOC is simultaneously produced and decomposed. This thesis aimed for a conceptual understanding of organic carbon cycling and DOC quality changes under differing hydrological and trophic conditions. Further, the occurrence of aquatic priming was investigated, which has been proposed as a potential process facilitating the microbial decomposition of stable allochthonous DOC within the pelagic zone. To study organic carbon cycling under different hydrological conditions, quantitative and qualitative investigations were carried out in three pre-dams of drinking water reservoirs exhibiting a gradient in DOC concentrations and trophic states. All pre-dams were mainly autotrophic in their epilimnia. Discharge and temperature were identified as the key factors regulating net production and respiration in the upper water layers of the pre-dams. Considerable high autochthonous production was observed during the summer season under higher trophic status and base flow conditions. Up to 30% of the total gained organic carbon was produced within the epilimnia. Consequently, this affected the DOC quality within the pre-dams over the year and enhanced characteristics of algae-derived DOC were observed during base flow in summer. Allochthonous derived DOC dominated at high discharges and oligotrophic conditions when production and respiration were low. These results underline that also small impoundments with typically low water residence times are hotspots of carbon cycling, significantly altering water quality in dependence of discharge conditions, temperature and trophic status. Further, it highlights that these factors need to be considered in future water management as increasing temperatures and altered precipitation patterns are predicted in the context of climate change. Under base flow conditions, heterotrophic bacteria preferentially utilized older DOC components with a conventional radiocarbon age of 195-395 years before present (i.e. before 1950). In contrast, younger carbon components (modern, i.e. produced after 1950) were mineralized following a storm flow event. This highlights that age and recalcitrance of DOC are independent from each other. To assess the ages of the microbially consumed DOC, a simplified method was developed to recover the respired CO2 from heterotrophic bacterioplankton for carbon isotope analyses (13C, 14C). The advantages of the method comprise the operation of replicate incubations at in-situ temperatures using standard laboratory equipment and thus enabling an application in a broad range of conditions. Aquatic priming was investigated in laboratory experiments during the microbial decomposition of two terrestrial DOC substrates (peat water and soil leachate). Thereby, natural phytoplankton served as a source of labile organic matter and the total DOC pool increased throughout the experiments due to exudation and cell lysis of the growing phytoplankton. A priming effect for both terrestrial DOC substrates was revealed via carbon isotope analysis and mixing models. Thereby, priming was more pronounced for the peat water than for the soil leachate. This indicates that the DOC source and the amount of the added labile organic matter might influence the magnitude of a priming effect. Additional analysis via high-resolution mass spectrometry revealed that oxidized, unsaturated compounds were more strongly decomposed under priming (i.e. in phytoplankton presence). Given the observed increase in DOC concentrations during the experiments, it can be concluded that aquatic priming is not easily detectable via net concentration changes alone and could be considered as a qualitative effect. The knowledge gained from this thesis contributes to the understanding of aquatic carbon cycling and demonstrated how DOC dynamics in freshwaters vary with hydrological, seasonal and trophic conditions. It further demonstrated that aquatic priming contributes to the microbial transformation of organic carbon and the observed decay of allochthonous DOC during transport in inland waters. N2 - Gelöster organischer Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC) bildet nicht nur eine zentrale Komponente des aquatischen Kohlenstoffkreislaufs, sondern auch für die Gewinnung von Trinkwasser aus Oberflächengewässern. In den letzten Jahrzehnten stiegen die DOC-Konzentrationen in Gewässern der nördlichen Hemisphäre an und führen sowohl zu ökologischen Konsequenzen als auch zu Wasserqualitätsproblemen. Die Zusammensetzung des DOC im Pelagial von Seen und Talsperren wird erheblich durch biologische Aktivität beeinflusst, da DOC-Verbindungen gleichzeitig produziert und abgebaut werden. Im Fokus meiner Dissertation standen ein konzeptionelles Verständnis des organischen Kohlenstoffkreislaufs und die damit verbundenen Änderungen in der DOC-Qualität unter verschiedenen hydrologischen und trophischen Bedingungen. Weiterhin wurde das Auftreten eines aquatischen Priming-Effektes untersucht, welcher den mikrobiellen Abbau von stabilem allochthonem DOC im Pelagial fördern könnte. Quantitative und qualitative Untersuchungen wurden unter verschiedenen hydrologischen Bedingungen in drei Vorsperren von Trinkwassertalsperren durchgeführt, die einen Gradienten an DOC-Konzentrationen und Trophie aufwiesen. Alle Vorsperren waren im Epilimnion überwiegend autotroph. Abfluss und Temperatur wurden als Schlüsselfaktoren identifiziert, die Produktion und Respiration in den oberen Wasserschichten der Vorsperren regulieren. Eine vergleichsweise hohe autotrophe Produktion wurde während der Sommer-monate bei hoher Trophie und Basisabfluss beobachtet. Bis zu 30% des gesamten eingetragenen organischen Kohlenstoffes wurde im Epilimnion produziert. Dies beeinflusste die DOC-Qualität in den Vorsperren erheblich und es traten vermehrt Charakteristiken von algenbürtigem DOC unter Basisabfluss in den Sommermonaten auf. Allochthoner DOC dominierte bei hohen Abflüssen und unter oligotrophen Bedingungen, wenn Produktion und Respiration gering waren. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass auch kleine Speicherbecken mit typischerweise kurzen Wasser-aufenthaltszeiten „Hotspots“ für Kohlenstoffumsetzung sind und die Wasserqualität signifikant in Abhängigkeit von Abflussbedingungen, Temperatur und Trophie verändern. Diese Faktoren sind auch für zukünftiges Wassermanagement bedeutsam, da steigende Temperaturen und veränderte Niederschläge im Zuge des Klimawandels prognostiziert werden. Unter Basisabfluss verwerteten heterotrophe Bakterien vorrangig ältere DOC-Komponenten mit einem konventionellen Radiokarbonalter von 195-395 Jahren B.P. („before present“, d. h. vor 1950). Im Gegensatz dazu wurden jüngere DOC-Komponenten (modern, d. h. nach 1950 produziert) nach einem Regenwetterzufluss abgebaut. Daraus lässt sich schließen, dass Alter und mikrobielle Verwertbarkeit des DOC voneinander unabhängig sind. Um das Alter des genutzten DOC zu bestimmen, wurde eine vereinfachte Methode entwickelt, die das Auffangen des bakteriell respirierten CO2 und eine anschließende Analyse der Kohlenstoffisotope (13C, 14C) ermöglicht. Die Vorteile der Methode liegen vor allem in der Verwendung von Replikaten, die bei in-situ Temperaturen inkubiert werden können und in der Nutzung von gängiger Laborausstattung. Dies ermöglicht eine Anwendung der Methode unter einer weiten Bandbreite von Bedingungen. Der aquatische Priming-Effekt wurde in Laborexperimenten während des mikrobiellen Abbaus von zwei terrestrischen DOC-Substraten (Moorwasser und Bodeneluat) untersucht. Phytoplankton diente als Quelle für labile organische Substanz und die DOC-Konzentrationen nahmen durch Exudation und Zelllysis des wachsenden Phytoplanktons während des Experimentes zu. Ein Priming-Effekt wurde für beide terrestrischen DOC-Substrate mittels Analyse von Kohlenstoffisotopen und Mischungsmodellen nachgewiesen, wobei der Priming-Effekt für das Moorwasser stärker ausgeprägt war als für das Bodeneluat. Analysen mittels hochauflösender Massenspektrometrie zeigten, dass verstärkt oxidierte und ungesättigte Verbindungen während des Primings (d. h. in Anwesenheit von Phytoplankton) abgebaut wurden. Aus den angestiegenen DOC-Konzentrationen während des Experimentes kann geschlussfolgert werden, dass ein aquatischer Priming-Effekt nicht allein über Konzentrationsänderungen nachweisbar ist und vielmehr als ein qualitativer Effekt betrachtet werden kann. Diese Arbeit trägt zum Verständnis des aquatischen Kohlenstoffkreislaufs bei und zeigt wie DOC-Dynamiken in Süßgewässern mit hydrologischen, saisonalen und trophischen Bedingungen variieren. Weiterhin wurde gezeigt, dass der aquatische Priming-Effekt zu dem mikrobiellen Umsatz von organischem Kohlenstoff und dem beobachteten Abbau von terrestrischen DOC während des Transportes in Binnengewässern beiträgt. KW - organic carbon KW - water reservoir KW - freshwater ecosystems KW - carbon isotopes KW - degradation KW - radiocarbon KW - autotrophy KW - net production KW - organic matter quality KW - high resolution mass spectrometry KW - microbial decomposition KW - organischer Kohlenstoff KW - Talsperre KW - Kohlenstoffisotope KW - Radiokarbon KW - Autotrophie KW - Nettoproduktion KW - organisches Material KW - hochauflösende Massenspektrometrie KW - mikrobieller Abbau KW - gelöster organischer Kohlenstoff Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-399110 ER -