Dorothea Fiedler

• In freshwater sciences, nitrogen gained increasing attention in the past as an important resource potentially influencing phytoplankton growth and thus eutrophication. Most studies and all management approaches, however, are still restricted to dissolved inorganic nitrogen (DIN = nitrate + nitrite + ammonium) since dissolved organic nitrogen (DON) was considered to be refractory for most of the photoautotrophs. In the meantime this assumption has been disproved for all aquatic systems. While research on DON in marine ecosystems substantially increased, in freshwater a surprisingly small number of investigations has been carried out on DON utilization by phytoplankton or even the occurrence and seasonal development of total DON or its compounds in lakes. Therefore, our present knowledge on DON utilization by phytoplankton is often based on single species experiments using a sole, usually low molecular weight DON component, often in unnaturally high amounts mainly carried out with marine phytoplankton species. Thus, we know that someIn freshwater sciences, nitrogen gained increasing attention in the past as an important resource potentially influencing phytoplankton growth and thus eutrophication. Most studies and all management approaches, however, are still restricted to dissolved inorganic nitrogen (DIN = nitrate + nitrite + ammonium) since dissolved organic nitrogen (DON) was considered to be refractory for most of the photoautotrophs. In the meantime this assumption has been disproved for all aquatic systems. While research on DON in marine ecosystems substantially increased, in freshwater a surprisingly small number of investigations has been carried out on DON utilization by phytoplankton or even the occurrence and seasonal development of total DON or its compounds in lakes. Therefore, our present knowledge on DON utilization by phytoplankton is often based on single species experiments using a sole, usually low molecular weight DON component, often in unnaturally high amounts mainly carried out with marine phytoplankton species. Thus, we know that some phytoplankton species can take up different DON fractions if they are available in high concentrations and as sole nitrogen source. This does not necessarily imply that phytoplankton would perform likewise in natural environments. In addition, it will be difficult to draw conclusions on the behavior of freshwater phytoplankton from experiments with marine phytoplankton since the nutrient regime in marine environments differs from that of freshwater. In the light of the parallel availability of inorganic and organic nitrogen species in natural freshwater ecosystems, several questions must be raised: "If inorganic nitrogen is available, would phytoplankton really rely on an organic nitrogen source? Could a connection be detected between the seasonal development of DON and changes in the phytoplankton community composition as found for inorganic nitrogen? And if we reduce the input of inorganic nitrogen in lakes and rivers would the importance of DON as nitrogen source for phytoplankton increase, counteracting all management efforts or even leading to undesired effects due to changes in phytoplankton physiology and biodiversity?" I experimentally addressed the questions whether those DON compounds differentially influence growth, physiology and composition of phytoplankton both as sole available nitrogen source and in combination with other nitrogen compounds. I hypothesized that all offered DON - compounds (urea, natural organic matter (NOM), dissolved free and combined amino acids (DFAA, DCAA)) could be utilized by phytoplankton at natural concentrations. However, I assumed that the availability would decrease with increasing compound complexity. I furthermore hypothesized that the occurrence of low DIN concentrations would not affect the utilization of DON negatively. The nitrogen source, whatsoever, would have an impact on phytoplankton physiology as well as community composition. To investigate these questions and assumptions I conducted bioassays with algae monocultures as well as phytoplankton communities testing the utilization of various DON compounds by several freshwater phytoplankton species. Especially the potential utilization of NOM, a complex DON compound mainly consisting of humic substances is of interest, since it is usually regarded to be refractory. In order to be able to use natural concentrations of DON - compounds for my experiments the concentration of total DON and some DON - compounds (urea, humic substances, heigh molecular weight substances) was assessed in Lake Müggelsee. All compounds were able to support algae growth in the low natural concentrations supplied. However, I found that the offered DON compounds differ in their availability to various algae species, both, as sole nitrogen source or in combination with low DIN concentrations. As expected, the availability decreased with increasing complexity of the nitrogen compound. Furthermore, I could show that changes in algal physiology (nitrogen storage, metabolism) occur depending on the utilized nitrogen source. Especially the secondary photosynthetic pigment composition, heterocyst frequency and C:N - ratio of the algae were affected. The uptake and usage of certain nitrogen compounds might be more costly, potentially resulting in those physiology changes. Whereas laboratory experiments with single species revealed strong effects of DON, algal responses to DON in a multi-species situation remain unclear. Experiments with phytoplankton communities from Lake Müggelsee revealed that the nitrogen pool composition does influence the phytoplankton community structure. The findings furthermore show that several species combined might utilize the supplied nitrogen completely different than monocultures in the laboratory. Thus, besides the actual ability of algae to use the offered nitrogen sources other factors, such as interspecific competition, may be of importance. I further investigated, if the results of the laboratory experiments, can be verified in the field. Here, I surveyed the seasonal development of several dissolved organic matter (DOM) components (urea, high molecular weight substances (HMWS), humic substances (HS)) and associated parameters (Specific UV-absorption (SUVA), C:N - ratio) in Lake Müggelsee between 2011 and 2013. Furthermore, data from the long term measurements series of Lake Müggelsee such as physical (temperature, light, pH, O2) and chemical parameters (nitrogen, phosphorous, silica, inorganic carbon), zooplankton and phytoplankton data were used to investigate how much of the variability of the phytoplankton composition in Lake Müggelsee can be explained by DON/DOM concentration and composition, relative to the other groups of explanatory variables. The results show that DON mainly consists of rather complex compounds such as humic substances and biopolymers (80 %) and that only slight seasonal trends are detectable. Using variance partitioning I could show, that the usually investigated nutrients (DIN, silica, inorganic carbon, phosphorous) and abiotic factors together explain most of the algae composition as was to be expected (57.1 % of modeled variance). However, DOM and the associated parameters uniquely explain 10.3 % of the variance and thus slightly more than zooplankton with 9.3 %. I could therefore prove, that the composition of DOM (nitrogen and carbon) is connected to the algae composition in an eutrophic lake such as Lake Müggelsee. DON - compounds such as urea, however, could not be correlated with the occurrence of specific phytoplankton species. Overall, the results of this study imply that DON can be a valuable nitrogen source for freshwater phytoplankton. DON is used by various species even when DIN is available in low concentrations. Through the reduction of DIN in lakes and rivers, the DON:DIN ratio might be changed, resulting even in an increased importance of DON as phytoplankton nitrogen source. My work suggests that not only N2-fixation but also DON utilization might compensate for reduced N - input. Changes from DIN to DON as main nitrogen source might also promote certain, potentially undesired algae species and influence the biodiversity of a limnic ecosystem through changes in the phytoplankton community structure. Thus, DON, especially urea, should be included in calculations concerning total available nitrogen and when determining nitrogen threshold values. Furthermore, the input-reduction of DON, for example from waste-water treatment plants should also be evaluated and the results of my thesis should find consideration when planning to reduce the nitrogen input in freshwater.…
• Das Interesse an Stickstoff als potentielle Einflußgröße auf das Phytoplanktonwachstum und damit auch als Eutrophierungsfaktor hat in der Vergangenheit in der Limnologie stark zugenommen. Bisher ging man davon aus, das gelöster organischer Stickstoff (DON) für photoautotrophe Organismen refraktär, also nicht nutzbar ist. Dies führte dazu, dass der Großteil an Studien und Managementmaÿnahmen nur gelösten inorganischen Stickstoff (DIN = Nitrat + Nitrit + Ammonium) einbezieht. Mittlerweile wurde allerdings für alle aquatischen Systeme nachgewiesen, dass DON durchaus für Organismen verfügbar sein kann. Während die Forschung im marinen Bereich stark zugenommen hat, wurden in Binnengewässern nur sehr wenige Untersuchungen zur DON - Nutzung durch Phytoplankton oder auch nur das Vorkommen und die saisonale Entwicklung von DON oder seiner Komponenten durchgeführt. Dies resultiert darin, dass sich unser heutiges Wissen zur DON - Nutzung durch Pytoplankton hauptsächlich auf Experimente stützt, die mit einzelnen, überwiegend marinenDas Interesse an Stickstoff als potentielle Einflußgröße auf das Phytoplanktonwachstum und damit auch als Eutrophierungsfaktor hat in der Vergangenheit in der Limnologie stark zugenommen. Bisher ging man davon aus, das gelöster organischer Stickstoff (DON) für photoautotrophe Organismen refraktär, also nicht nutzbar ist. Dies führte dazu, dass der Großteil an Studien und Managementmaÿnahmen nur gelösten inorganischen Stickstoff (DIN = Nitrat + Nitrit + Ammonium) einbezieht. Mittlerweile wurde allerdings für alle aquatischen Systeme nachgewiesen, dass DON durchaus für Organismen verfügbar sein kann. Während die Forschung im marinen Bereich stark zugenommen hat, wurden in Binnengewässern nur sehr wenige Untersuchungen zur DON - Nutzung durch Phytoplankton oder auch nur das Vorkommen und die saisonale Entwicklung von DON oder seiner Komponenten durchgeführt. Dies resultiert darin, dass sich unser heutiges Wissen zur DON - Nutzung durch Pytoplankton hauptsächlich auf Experimente stützt, die mit einzelnen, überwiegend marinen Phytoplanktonarten und einer, üblicherweise niedermolekularen DON - Komponente in meist unnatürlich hohen Konzentrationen durchgeführt wurden. Demzufolge wissen wir nur, dass es einige Phytoplanktonarten gibt, die verschiedene DON - Fraktionen aufnehmen können, wenn sie in hohen Konzentrationen und als alleinige Stickstoffquelle vorliegen. Diese Ergebnisse spiegeln nicht das tatsächliche Verhalten von Phytoplankton in seiner natürlichen Umgebung wieder. Zudem ist es schwierig, von Experimenten mit marinen Phytoplanktonarten auf das Verhalten limnischer Phytoplankter zu schließen, da sich der Nährstoffhaushalt in marinen Systemen von dem in Binnengewässern stark unterscheidet. Im Hinblick auf die parallele Verfügbarkeit von inorganischem und organischem Stickstoff in natürlichen Binnengewässern stellen sich eine Vielzahl von Fragen: "Wie stark DON als Stickstoffquelle durch Phytoplankton genutzt wird, wenn auch inorganischer Stickstoff zur Verfügung steht. Gibt es eventuell eine Verbindung zwischen der saisonalen Entwicklung von DON und Änderungen in der Zusammensetzung der Phytoplanktongemeinschaft wie man es auch für inorganischen Stickstoff sowie andere biotische und abiotische Faktoren findet? Es ist bisher auch ungeklärt, ob durch eine Reduktion des Eintrags von inorganischem Stickstoff die Bedeutung von DON als Stickstoffquelle für Phytoplankton zunimmt. Würde so eventuell den Managmentmaßnahmen entgegengewirkt oder käme es zu ungewünschten Effekten durch Änderungen in Phytoplanktonphysiologie und Biodiversität?" Im Verlauf meiner Doktorarbeit habe ich mich mit einem Teil dieser offenen Fragen auseinandergesetzt. Meine Experimente dienten dazu herauszufinden, inwieweit sich verschiedene DON -Komponenten auf Wachstum, Physiologie und die Phytoplanktonzusammensetzung auswirken, wenn sie als einzige verfügbare Stickstoffquelle aber auch in Kombination mit anderen Stickstoffkomponenten zur Verfügung stehen. Hierbei stehen folgende Hypothesen und Annahmen im Vordergrund: a) alle angebotenen DON - Komponenten (Harnstoff, gelöste freie Aminosäuren (DFAA), gelöste gebundene Aminosäuren (DCAA) und natürliches organisches Material (NOM)) können in natürlicher Konzentration von Phytoplankton genutzt werden, b) die Verfügbarkeit nimmt mit zunehmender Komplexität des DON ab, c) geringe DIN - Konzentrationen haben keinen negativen Einfluss auf die Nutzung von DON durch das Phytoplankton, d) die Stickstoffquelle beeinflusst Phytoplanktonphysiologie sowie die Zusammensetzung der Phytoplanktongemeinschaft. Um mehr Informationen zur DON - Verfügbarkeit für Süßwasserphytoplankton zu erhalten, wurde zunächst die Nutzung verschiedener DON - Komponenten durch verschiedene Phytoplanktonspezies aus Binnengewässern sowie Phytoplanktongemeinschaften untersucht. Besonders die mögliche Nutzung von NOM, einer komplexen, hauptsächlich aus Huminstoffen bestehenden DON - Komponente war von Interesse, da sie überwiegend als refraktär eingeschätzt wird. Um die Verfügbarkeit diverser DON - Komponenten in natürlicher Konzentration zu testen, wurde zunächst die Konzentration von Gesamt - DON sowie einiger DON -Komponenten (Harnstoff, Huminstoffe, hochmolekulare Substanzen) im Müggelsee ermittelt. Alle DON - Komponenten ermöglichten ein Algenwachstum in der niedrigen natürlichen Konzentration, in der sie zur Verfügung gestellt wurden. Es konnte festgestellt werden, dass sich die unterschiedlichen DON - Komponenten in ihrer Verfügbarkeit für verschiedene Algenarten unterschieden, unabhängig davon, ob sie als alleinige Stickstoffquelle vorlagen oder in Kombination mit DIN in niedriger Konzentration. Wie erwartet nahm die Algenverfügbarkeit mit zunehmender Komplexität der Stickstoffkomponenten ab. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass die verwendete Stickstoffquelle zu Änderungen in der Algenphysiologie (Metabolismus, Stickstoffspeicherung) führen kann. Vor allem die Zusammensetzung sekundärer Photosynthesepigmente, die Heterocystenhäufigkeit sowie das C:N - Verhältnis des Phytoplankton wurden beeinflusst. Auch wenn alle untersuchten Stickstoffquellen das Phytoplanktonwachstum ermöglichen, ist die Nutzung einiger Komponenten gegebenenfalls mit höheren Kosten z.B. für Transport, Aufschluß etc. verbunden, was wiederum in einer Änderungen der Phytoplanktonphysiologie resultieren kann. Während Experimente mit einzelnen Phytoplanktonarten im Labor starke Effekte von DON erkennen lassen, sind die Ergebnisse der Multi-Spezies-Versuche weniger eindeutig interpretierbar. Versuche mit Phytoplanktongemeinschaften aus dem Müggelsee zeigten, dass die Zusammensetzung des Stickstoffpools Auswirkungen auf die Struktur der Phytoplanktongemenschaft hat. Zudem nutzen verschiedene Arten zusammen den zur Verfügung gestellten Stickstoff anders, als Monokulturen im Labor. Demzufolge spielen neben der eigentlichen Fähigkeit der Algen, verschiedene Stickstoffkomponenten nutzen zu können noch andere Faktoren wie z.B. interspezifische Konkurrenz eine Rolle für die tatsächliche Nutzung im Gewässer. Im weiteren Teil meiner Doktorarbeit habe ich untersucht, inwieweit die Ergebnisse der Laborversuche im Feld verifiziert werden können. Dafür wurde die saisonale Entwicklung verschiedenen gelösten organischen Materials (DOM) (Harnstoff, hochmolekulare Substanzen (HMWS), Huminstoffe (HS)) und weitere assoziierte Parameter (spezifische UV-Absorption (SUVA), C:N - Verhältnis) im Müggelsee von 2011-2013 bestimmt. Desweiteren wurden Daten aus der Langzeitmessung vom Müggelsee verwendet, um herauszufinden, wieviel der Variabilität in der Phytoplanktonzusammensetzung im Müggelsee durch die DON / DOM Konzentration und Zusammensetzung erklärt werden, im Verhältnis zu den anderen potentiellen Einflussfaktoren. Hierzu zählen physikalische (Temperatur, Licht, pH, O2) und chemische Parameter (Stickstoff, Phosphor, Silikat, inorganischer Kohlenstoff), Zooplankton- und Phytoplanktondaten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich DON hauptächlich aus komplexen Komponenten wie Huminstoffen und Biopolymeren (80 %) zusammensetzt und das nur ein geringer saisonaler Trend in der DON-Entwicklung festzustellen ist. Mittels Varianzpartitionierung konnte gezeigt werden, dass die üblicherweise untersuchten Nährstoffe (DIN, Silikat, inorganischer Kohlenstoff, Phosphor) und abiotische Faktoren zusammen den Großteil der Algenzusammensetzung erklären, wie zu erwarten war (57.1 %). DOM und die damit assoziierten Parameter konnten allein 10.3% der Varianz erklären und damit etwas mehr als Zooplankton, eine anerkannte Einflußgröße, mit 9.3%. Damit konnte gezeigt werden, dass auch die DOM - Zusammensetzung (Stickstoff und Kohlenstoff) als Einflussgröße der Algenzusammensetzung in einem eutrophen See wie dem Müggelsee berücksichtigt werden sollte. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Doktorarbeit, dass DON eine wichtige Stickstoffquelle für Phytoplankton aus Binnengewässern sein kann und von zahlreichen Arten genutzt wird, auch wenn DIN, zumindest in niedrigen Konzentrationen, verfügbar ist. Durch die Reduktion von DIN in Seen und Flüssen könnte es zu einer Änderung des DON / DIN - Verhältnisses kommen, was zu einer noch stärkeren Bedeutung von DON als Stickstoffquelle für Phytoplankton führen kann. Meine Arbeit legt nahe, dass nicht nur die N2 - Fixierung, sondern auch die Nutzung von DON eine Reduktion des Stickstoffeintrags kompensieren könnte. Ein Wechsel von DIN zu DON als Hauptstickstoffquelle für Phytoplankton fördert möglicherweise auch bestimmte unerwünschte Algenarten und beeinflusst die Biodiversität der Binnengewässer durch Änderungen in der Phytoplanktongemeinschaft. Aus diesen Gründen sollte DON, vor allem Harnstoff in Kalkulationen des gesamtverfögbaren Stickstoffs sowie bei der Ermittlung von Stickstoffgrenzwerten einbezogen werden. Bei der Planung von Maßnahmen zur Reduktion des Stickstoffeintrages in Binnengewässer zur Verbesserung der Wasserqualtät sollten die Ergebnisse dieser Doktorarbeit demzufolge in Betracht gezogen und auch eine Reduktion des DON - Eintrages, z. B. aus Klärwerken, erwogen werden.…