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Gewässer werden traditionellerweise als abgeschlossene Ökosysteme gesehen, und insbeson¬dere das Zirkulieren von Wasser und Nährstoffen im Pelagial von Seen wird als Beispiel dafür angeführt. Allerdings wurden in der jüngeren Vergangenheit wichtige Verknüpfungen des Freiwasserkörpers von Gewässern aufgezeigt, die einerseits mit dem Benthal und andererseits mit dem Litoral, der terrestrischen Uferzone und ihrem Einzugsgebiet bestehen. Dadurch hat in den vergangen Jahren die horizontale und vertikale Konnektivität der Gewässerökosysteme erhöhtes wissenschaftliches Interesse auf sich gezogen, und damit auch die ökologischen Funktionen des Gewässergrunds (Benthal) und der Uferzonen (Litoral). Aus der neu beschriebenen Konnektivität innerhalb und zwischen diesen Lebensräumen ergeben sich weitreichende Konsequenzen für unser Bild von der Funktionalität der Gewässer. In der vorliegenden Habilitationsschrift wird am Beispiel von Fließgewässern und Seen des nordostdeutschen Flachlandes eine Reihe von internen und externen funktionalen Verknüpfungen in den horizontalen und vertikalen räumlichen Dimensionen aufgezeigt. Die zugrunde liegenden Untersuchungen umfassten zumeist sowohl abiotische als auch biologische Variablen, und umfassten thematisch, methodisch und hinsichtlich der Untersuchungsgewässer ein breites Spektrum. Dabei wurden in Labor- und Feldexperimenten sowie durch quantitative Feldmes¬sungen ökologischer Schlüsselprozesse wie Nährstoffretention, Kohlenstoffumsatz, extrazellu¬läre Enzymaktivität und Ressourcenweitergabe in Nahrungsnetzen (mittels Stabilisotopen¬methode) untersucht. In Bezug auf Fließgewässer wurden dadurch wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich der Wirkung einer durch Konnekticität geprägten Hydromorphologie auf die die aquatische Biodiversität und die benthisch-pelagische Kopplung erbracht, die wiederum einen Schlüsselprozess darstellt für die Retention von in der fließenden Welle transportierten Stoffen, und damit letztlich für die Produktivität eines Flussabschnitts. Das Litoral von Seen wurde in Mitteleuropa jahrzehntelang kaum untersucht, so dass die durchgeführten Untersuchungen zur Gemeinschaftsstruktur, Habitatpräferenzen und Nahrungs¬netzverknüpfungen des eulitoralen Makrozoobenthos grundlegend neue Erkenntnisse erbrach¬ten, die auch unmittelbar in Ansätze zur ökologischen Bewertung von Seeufern gemäß EG-Wasserrahmenrichtlinie eingehen. Es konnte somit gezeigt werden, dass die Intensität sowohl die internen als auch der externen ökologischen Konnektivität durch die Hydrologie und Morphologie der Gewässer sowie durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen wesentlich beeinflusst wird, die auf diese Weise vielfach die ökologische Funktionalität der Gewässer prägen. Dabei trägt die vertikale oder horizontale Konnektivität zur Stabilisierung der beteiligten Ökosysteme bei, indem sie den Austausch ermöglicht von Pflanzennährstoffen, von Biomasse sowie von migrierenden Organismen, wodurch Phasen des Ressourcenmangels überbrückt werden. Diese Ergebnisse können im Rahmen der Bewirtschaftung von Gewässern dahingehend genutzt werden, dass die Gewährleistung horizontaler und vertikaler Konnektivität in der Regel mit räumlich komplexeren, diverseren, zeitlich und strukturell resilienteren sowie leistungsfähi¬geren Ökosystemen einhergeht, die somit intensiver und sicherer nachhaltig genutzt werden können. Die Nutzung einer kleinen Auswahl von Ökosystemleistungen der Flüsse und Seen durch den Menschen hat oftmals zu einer starken Reduktion der ökologischen Konnektivität, und in der Folge zu starken Verlusten bei anderen Ökosystemleistungen geführt. Die Ergebnisse der dargestellten Forschungen zeigen auch, dass die Entwicklung und Implementierung von Strategien zum integrierten Management von komplexen sozial-ökologischen Systemen wesentlich unterstützt werden kann, wenn die horizontale und vertikale Konnektivität gezielt entwickelt wird.
Shifts among Eukaryota, Bacteria, and Archaea define the vertical organization of a lake sediment
(2017)
Background: Lake sediments harbor diverse microbial communities that cycle carbon and nutrients while being constantly colonized and potentially buried by organic matter sinking from the water column. The interaction of activity and burial remained largely unexplored in aquatic sediments. We aimed to relate taxonomic composition to sediment biogeochemical parameters, test whether community turnover with depth resulted from taxonomic replacement or from richness effects, and to provide a basic model for the vertical community structure in sediments. Methods: We analyzed four replicate sediment cores taken from 30-m depth in oligo-mesotrophic Lake Stechlin in northern Germany. Each 30-cm core spanned ca. 170 years of sediment accumulation according to Cs-137 dating and was sectioned into layers 1-4 cm thick. We examined a full suite of biogeochemical parameters and used DNA metabarcoding to examine community composition of microbial Archaea, Bacteria, and Eukaryota. Results: Community beta-diversity indicated nearly complete turnover within the uppermost 30 cm. We observed a pronounced shift from Eukaryota- and Bacteria-dominated upper layers (<5 cm) to Bacteria-dominated intermediate layers (5-14 cm) and to deep layers (>14 cm) dominated by enigmatic Archaea that typically occur in deep-sea sediments. Taxonomic replacement was the prevalent mechanism in structuring the community composition and was linked to parameters indicative of microbial activity (e.g., CO2 and CH4 concentration, bacterial protein production). Richness loss played a lesser role but was linked to conservative parameters (e.g., C, N, P) indicative of past conditions. Conclusions: By including all three domains, we were able to directly link the exponential decay of eukaryotes with the active sediment microbial community. The dominance of Archaea in deeper layers confirms earlier findings from marine systems and establishes freshwater sediments as a potential low-energy environment, similar to deep sea sediments. We propose a general model of sediment structure and function based on microbial characteristics and burial processes. An upper "replacement horizon" is dominated by rapid taxonomic turnover with depth, high microbial activity, and biotic interactions. A lower "depauperate horizon" is characterized by low taxonomic richness, more stable "low-energy" conditions, and a dominance of enigmatic Archaea.