TY - THES A1 - Kolzau, Sebastian T1 - Phytoplankton nitrogen and phosphorus limitation and the N2-fixation potential of Nostocales at varying nitrogen supplies and light intensities in lakes T1 - Stickstoff- und Phosphorlimitation des Phytoplankton und das N2-Fixierungspotential von Nostocales bei variierenden Stickstoffverfügbarkeiten und Lichtintensitäten in Seen N2 - In order to lower the phytoplankton biomass in lakes it is theoretically most effective to reduce the nutrient that is actually limiting. However, it is widely assumed that the abundance and N₂-fixation rate of N₂-fixing cyanobacteria (Nostocales) would increase in response to reduced N loading, and thereby render efforts to improve water quality by N reduction ineffective. Nostocales N₂-fixation has a huge energy demand and consequently the light intensity may affect the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions. This led to the following aims, for which three different sets of experiments were conducted. (i) Determination of the seasonal dynamic of N- and P-limitation for four lakes of differing lake types in the German lowlands and testing the power of four N:P ratios to predict the limiting nutrient: Biweekly experiments were performed in 4 lakes differing in lake. For the shallow lakes there was a trend from P limitation in spring to N or light limitation in summer and autumn, while the deep lake remained predominantly P limited. The ability of in-lake N:P ratios to predict the relative strength of N vs. P limitation was tested using linear regression. All four N:P ratios had significant positive relationships with the response ratio to N and P additions, but the TN:TP and DIN:TP ratios performed best. Nitrogen limitation was predictable, frequent and persistent, suggesting that nitrogen reduction could play a role in water quality management. (ii) Determination of the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To achieve this, an experiment with water from an N limited lake (LAN) was conducted. While the Nostocales biovolume did not respond to varying N additions, the N₂-fixation increased in low N microcosms. To quantify the extent to which Nostocales compensated for the varying N addition rate, we calculated a compensation rate (CR). By the end of the experiment a CR of 36 % was reached. However, at biovolumes typical for summer in LAN the CR would be much lower. Therefore, in shallow polymictic lakes like LAN, reduced N loading may lower both in-lake N concentrations and biovolumes of non-fixing phytoplankton without significantly impacting Nostocales biovolume. (iii) Determination of the effect of the light intensity on the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To accomplish this aim another microcosm experiment with water from LAN was conducted. While at low and intermediate light intensities the reduction of N addition had no effect on Nostocales biovolume, at high light intensities it led to an increase. The N₂-fixation increased at all light intensities when N addition got reduced. This positive response to a reduction in N addition increased with light, showing that Nostocales may take advantage of being able to fix N₂ mainly at high light intensities. N2 - Zur Verringerung der Phytoplanktonbiomasse ist es theoretisch am effektivsten den tatsächlich limitierenden Nährstoff zu reduzieren. Allerdings wird häufig angenommen, dass die Abundanz und die N₂-Fixierung von N₂-fixierenden Cyanobakterien (Nostocales) in Folge einer Verringerung der N-Einträge zunehmen und dadurch die Bemühungen die Wasserqualität zu verbessern ineffektiv machen. Der hohe Energiebedarf der N₂-Fixierung legt nahe, dass das Licht einen Einfluss auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumen und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben hat. Dies führte zu den folgenden Zielen, für die drei Reihen von Nährstoffzugabeexperimenten durchgeführt wurden: (i) Bestimmung der saisonalen Dynamik der N- und P-Limitation in 4 Seen mit unterschiedlichen Seetypen und Prüfung der Vorhersagbarkeit des limitierenden Nährstoffes durch vier N:P-Verhätlnisse: Hierfür wurden alle zwei Wochen Bioassays in 4 Seen durchgeführt. In den polymiktischen Seen wurde ein Wechsel von P-Limitation im Frühling zu N-Limitation später im Jahr beobachtet, während der tiefe See vorwiegend durch P limitiert war. Die Möglichkeit die N und P-Limitation durch N:P-Verhältnisse in den Seen vorherzusagen wurde mit linearer Regression getestet. Alle vier N:P Verhältnisse zeigten einen signifikanten positiven Zusammenhang mit dem Reaktionsverhältnis, aber die Verhältnisse von TN:TP und DIN:TP schnitten am besten ab. N-Limitation konnte häufig und beständig nachgewiesen werden. Daher könnte die Reduktion von Stickstoff zur Verbesserung der Wasserqualität betragen. (ii) Bestimmung der Reaktion des Nostocalen Biovolumens und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben: Hierfür wurde ein Experiment mit Wasser aus dem überwiegend N-limitierten Langen See (LAN) durchgeführt. Während das Nostocale Biovolumen nicht auf eine Variierung der N-Zugabe reagierte, nahm die N₂-Fixierung bei niedriger N-Zugabe zu. Zur Quantifizierung der Kompensation durch Nostocales wurde eine Kompensationsrate (CR) berechnet. Bis zum Ende des Experimentes wurde eine CR von 36 % erreicht. Bei für den Sommer typischen Biovolumina wäre die CR allerdings wesentlich geringer. Daher könnte in polymiktischen Seen eine Verringerung der N-Einträge, sowohl die N-Konzentration, als auch das Gesamtbiovolumen des Phytoplanktons verringern, ohne das Nostocale Biovolumen zu beeinflussen. (iii) Bestimmung des Einflusses der Lichtintensität auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumens und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben: Hierfür wurde ein weiteres Experiment mit Wasser aus dem LAN durchgeführt. Während bei niedrigen und mittleren Lichtintensitäten eine Verringerung der N-Zugabe kein Effekt auf das Nostocales Biovolumen hatte, führte sie bei hohen Lichtintensitäten zu einem Anstieg des Biovolumens. Mit steigender Lichtintensität nahm der Anstieg der N₂-Fixierung in Folge der Reduktion der N-Zugabe zu. Das zeigte, dass Nostocales von ihrem Vorteil der N₂-Fixierung hauptsächlich bei hohen Lichtintensitäten profitieren. KW - N₂-fixation KW - Nostocales KW - Nitrogen limitation KW - Lake KW - Stickstofffixierung KW - Nostocales KW - Stickstofflimitation KW - See KW - Nostocales KW - See KW - Stickstofffixierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42886 ER -