Effects of multiple abiotic stressors on the species and genetic biodiversity of littoral Cladocera in two types of acidic habitats in Germany : hard-water mining lakes and soft-water bog lakes

Effekte multipler abiotischer Stressoren auf die Artendiversität und die genetische Diversität von litoralen Cladocera in zwei Typen versauerter Habitate in Deutschland : Hartwasser-Tagebauseen und Weichwasser-Moorseen

  • Ecological research on acidic lakes has historically focused on soft-waters, whereas biota in natural and man-made acidic hard-water lakes remains poorly studied. My thesis deals with the effects of multiple abiotic stressors on species and genetic biodiversity of littoral Cladocera in two types of acidic waters in Germany: hard-water mining and soft-water bog lakes. I found that these two types of acidic lakes supported highly distinct cladoceran communities, both with respect to their species diversity and composition, what led to the rejection of my null hypothesis that pH was the only abiotic factor, determining species diversity patterns. Further analyses revealed that, apart from pH, TDS-related parameters and trophy significantly affected species composition of littoral Cladocera in the studied lakes. Particularly the role of TDS and its constituents for colonization of acidic lakes was virtually neglected by previous studies, based on soft-water lakes’ data sets. My study on the genetic diversity of a generalist cladoceranEcological research on acidic lakes has historically focused on soft-waters, whereas biota in natural and man-made acidic hard-water lakes remains poorly studied. My thesis deals with the effects of multiple abiotic stressors on species and genetic biodiversity of littoral Cladocera in two types of acidic waters in Germany: hard-water mining and soft-water bog lakes. I found that these two types of acidic lakes supported highly distinct cladoceran communities, both with respect to their species diversity and composition, what led to the rejection of my null hypothesis that pH was the only abiotic factor, determining species diversity patterns. Further analyses revealed that, apart from pH, TDS-related parameters and trophy significantly affected species composition of littoral Cladocera in the studied lakes. Particularly the role of TDS and its constituents for colonization of acidic lakes was virtually neglected by previous studies, based on soft-water lakes’ data sets. My study on the genetic diversity of a generalist cladoceran Chydorus sphaericus provided evidence for genetic erosion, i.e. negative effects of abiotic stress in the acidic hard-water mining lakes, but not in the acidic soft-water bog lakes. I conclude that the observed genetic erosion in acidic mining lakes may have negative long-term consequences for population persistence even in broadly tolerant species. In general, biodiversity at both species and genetic levels was much more impaired in the acidic hard-water mining lakes, compared to the naturally acidic soft-water bog lakes. This was possibly due to both ecological (higher abiotic stress) and evolutionary (insufficient time for long-term adaptations to evolve) mechanisms. My results suggest that colonization of acidic hard- and soft-water lakes in each case should require specific physiological adaptations at both species and population levels. The practical relevance of my studies is that they provide the scientific basis for monitoring of acidic hard-water mining lakes based on littoral Cladocera. Especially genetic diversity proved a valuable indicator of water quality in acidic mining lakes, as it provided unique information on population-level responses, being complementary to species diversity assessment. Overall, my results demonstrate that inclusion of acidic hard-water lakes into the research framework as well as comparisons among communities in chemically diverse acidic lakes can result in important new insights, concerning the community organization and adaptations in acidic environments.show moreshow less
  • In der Vergangenheit konzentrierte sich die ökologische Forschung über saure Seen auf Weichwasserseen, während Lebensgemeinschaften in natürlichen oder künstlichen sauren Hartwasserseen kaum untersucht wurden. Meine Dissertation behandelt die Effekte multipler abiotischer Stressoren auf die Arten- und genetische Diversität litoraler Cladoceren in zwei unterschiedlichen Typen saurer Gewässer: Hartwasser-Tagebauseen und Weichwasser-Moorseen. Meine Ergebnisse haben gezeigt, dass die beiden sauren Gewässertypen sehr unterschiedliche Cladoceren-Gemeinschaften beherbergen. Deswegen musste die Null-Hypothese, dass der pH-Wert als einziger abiotischer Faktor die Arten-Diversität in sauren Seen bestimmt, abgelehnt werden. Weiterhin zeigte sich, dass neben dem pH-Wert TDS (total dissolved solids)-bezogene Parameter und die Trophie signifikant die Artenzusammensetzung der litoralen Cladoceren beeinflussten. Da sich die Untersuchungen bisher auf Weichwasserseen konzentrierten, wurde insbesondere die Rolle der TDS für die Besiedlung von saurenIn der Vergangenheit konzentrierte sich die ökologische Forschung über saure Seen auf Weichwasserseen, während Lebensgemeinschaften in natürlichen oder künstlichen sauren Hartwasserseen kaum untersucht wurden. Meine Dissertation behandelt die Effekte multipler abiotischer Stressoren auf die Arten- und genetische Diversität litoraler Cladoceren in zwei unterschiedlichen Typen saurer Gewässer: Hartwasser-Tagebauseen und Weichwasser-Moorseen. Meine Ergebnisse haben gezeigt, dass die beiden sauren Gewässertypen sehr unterschiedliche Cladoceren-Gemeinschaften beherbergen. Deswegen musste die Null-Hypothese, dass der pH-Wert als einziger abiotischer Faktor die Arten-Diversität in sauren Seen bestimmt, abgelehnt werden. Weiterhin zeigte sich, dass neben dem pH-Wert TDS (total dissolved solids)-bezogene Parameter und die Trophie signifikant die Artenzusammensetzung der litoralen Cladoceren beeinflussten. Da sich die Untersuchungen bisher auf Weichwasserseen konzentrierten, wurde insbesondere die Rolle der TDS für die Besiedlung von sauren Gewässern allgemein nicht angemessen berücksichtigt. Meine Untersuchung zur genetischen Diversität eines Generalisten, der Cladocere Chydorus sphaericus, ergab Hinweise auf genetische Erosion als Folge von starkem abiotischen Stress in sauren Hartwasser-Tagebauseen, während ähnliches für saure Weichwasser-Moorseen nicht festgestellt werden konnte. Durch genetische Erosion könnte es langfristig selbst bei sehr toleranten Arten zu einem Aussterben der betroffenen Populationen kommen. Insgesamt war die Biodiversität sowohl auf Arten- als auch auf genetischer Ebene in sauren Hartwasser-Tagebauseen viel stärker beeinträchtigt als in sauren Weichwasser-Moorseen. Dafür waren wahrscheinlich neben ökologischen Faktoren, auf Grund stärkerem abiotischen Stress, auch Evolutionsmechanismen, wegen einer zu kurzen Zeit, um Adaptationen in den jungen Tagebauseen zu entwickeln, verantwortlich. Anhand meiner Ergebnisse kann vermutet werden, dass jeweils spezielle physiologische Anpassungen auf Populations- und Art-Ebene für die Besiedlung von sauren Hart- und Weichwasserseen erforderlich sind. Durch diese neuen wissenschaftlichen Grundlagen könnte das Monitoring von sauren Hartwasser-Tagebauseen mithilfe litoraler Cladoceren verbessert werden. Insbesondere die genetische Diversität wäre in Ergänzung zur Artendiversität ein wichtiger Indikator für die Wasserqualität von sauren Hartwasser-Tagebauseen, weil nur sie auch Informationen über Reaktionen auf Populationsebene liefert. Zusammenfassend zeigen meine Ergebnisse, dass wichtige neue Erkenntnisse über Besiedlungsmechanismen und Anpassungen an saure Lebensräume durch die Berücksichtigung von sauren Hartwasserseen und den Vergleich von Lebensgemeinschaften in chemisch unterschiedlichen sauren Seentypen erzielt werden können.show moreshow less

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Metadaten
Author: Maria Belyaeva
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29373
ISBN:978-3-8440-2391-6
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Brigitte Nixdorf
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Date of final exam:2012/12/14
Release Date:2013/12/09
Tag:Bioindikation; Chydoridae; Evolutionäre Toxikologie; Extreme Lebensräume; Saure Tagebauseen
Acidic mining lakes; Bio-indication; Chydoridae; Evolutionary toxicology; Extreme environments
GND Keyword:Brandenburg; Chydoridae; Bergbaurestsee; Bioindikation
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Gewässerökologie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Gewässerschutz
Other Notes:Dissertation ist erschienen im Shaker Verlag
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