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Periphyton-grazer interactions in headwater streams

  • Small headwater streams comprise most of the total channel length and catchment area in fluvial networks. They are tightly connected to their catchments and, thus, are highly vulnerable to changes in catchment hydrologic budgets and land use. Although these small, often fishless streams are of little economic interest, they are vital for the ecological and chemical state of larger water bodies. Although numerous studies investigate the impact of various anthropogenic stressors or altered catchment conditions, we lack an in-depth understanding of the natural conditions and processes in headwater streams. This natural state, however, largely affects how a headwater stream responds to anthropogenic or climatic changes. One of the major threats to aquatic ecosystems is the excessive anthropogenic input of nutrients leading to eutrophication. Nutrients exert a bottom-up effect in the food web, foremost affecting primary producers and their consumers, i.e. periphyton and benthic grazers in headwater streams. The periphyton-grazer link is the main path of autochthonous (in-stream) production into the stream food web and the strength of this link largely determines the effectiveness of this pathway. Therefore, this thesis aims at elucidating important biological processes with the explicit focus on periphyton-grazer interactions. I assessed different aspects of periphyton-grazer interactions using laboratory experiments to solve methodological problems, and using a field study to compare the benthic communities of three morphologically similar, phosphorus-limited, near-natural headwater streams. With the results of the laboratory experiments, I was able to show that periphyton RNA/DNA ratios can be used as proxy for periphyton growth rates in controlled experiments and that the fatty acid composition of grazing mayfly nymphs responds to changes in fatty acids provided by the diet after only two weeks. The use of the RNA/DNA ratio as a proxy for periphyton growth rate allows a comparison of these growth rates even in simple experimental set-ups and thereby permits the inclusion of this important process in ecotoxicological or ecological experiments. The observed fast turnover rates of fatty acids in consumer tissues show that even short-term changes in available primary producers can alter the fatty acid composition of primary consumers with important implications for the supply of higher trophic levels with physiologically important polyunsaturated fatty acids. With the results of the field study, I revealed gaps in the understanding of the linkages between catchment and in-stream phosphorus availability under near-natural conditions and demonstrated that seemingly comparable headwater streams had significantly different benthic communities. These differences most likely affect stream responses to environmental changes.
  • Kleine Bäche umfassen den größten Teil der Fließstrecke und des Einzugsgebiets in Gewässernetzen. Sie sind eng mit ihrem Einzugsgebiet verbunden und reagieren empfindlich auf Änderungen des Wasserhaushalts und der Landnutzung. Trotz ihrer geringen wirtschaftlichen Bedeutung sind diese Bäche entscheidend für den ökologischen und chemischen Zustand größerer Gewässer. Obwohl zahlreiche Studien die Auswirkungen anthropogener Stressoren oder Umweltveränderungen untersuchen, mangelt es am Verständnis der natürlichen Bedingungen und Prozesse, welche jedoch die Reaktion eines Baches auf anthropogene oder klimatische Veränderungen entscheidend beeinflussen. Eine der größten Bedrohungen für aquatische Ökosysteme ist der übermäßige anthropogene Eintrag von Nährstoffen. Nährstoffe steuern Nahrungsnetze in erster Linie über die Primärproduzenten und ihre Konsumenten, in kleinen Bächen Periphyton und Grazer. Die Periphyton-Grazer-Interaktion ist der Hauptpfad der autochthonen Produktion in das Nahrungsnetz, und die Stärke dieser Interaktion bestimmt weitgehend die ökologischen Auswirkungen von Nährstoff-einträgen. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, wichtige biologische Prozesse der Periphyton-Grazer-Interaktionen zu beleuchten. Ich untersuchte verschiedene Aspekte der Periphyton-Grazer-Interaktionen anhand von Laborexperimenten mit Fokus auf methodischen Fragen und einer Feldstudie, in der ich die benthischen Gemeinschaften drei morphologisch ähnlicher, Phosphor limitierter, natürlicher kleiner Bächen verglich. Mit dem Laborexperiment zur Periphyton-Wachstumsrate konnte ich zeigen, dass das RNA/DNA-Verhältnis von Periphyton als Proxy für dessen Wachstumsrate in kontrollierten Experimenten verwendet und somit dieser wichtigen Prozesses in ökotoxikologische oder ökologische Experimente einbezogen werden kann. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die Fettsäurezusammensetzung von Eintagsfliegen-larven auf Veränderungen der in der Nahrung enthaltenen Fettsäuren innerhalb von zwei Wochen reagiert. Diese schnelle Anpassung der Fettsäurezusammensetzung der Konsumenten zeigt, dass selbst kurzfristige Änderungen der verfügbaren Primärproduzenten wichtige Auswirkungen auf die Versorgung höherer trophischer Ebenen mit physiologisch wichtigen mehrfach ungesättigten Fettsäuren haben. Mit den Ergebnissen der Feldstudie habe ich Lücken im Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Phosphorverfügbarkeit im Einzugsgebiet und im Bach unter naturnahen Bedingungen aufgedeckt und gezeigt, dass scheinbar vergleichbare Bäche signifikant unterschiedliche benthische Gemeinschaften aufweisen. Diese Unterschiede wirken sich höchstwahrscheinlich auf die Reaktion der Bäche auf zukünftige Änderungen aus.

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Metadaten
Author:Daniela Mewes
URN:urn:nbn:de:kola-17824
Referee:Carola Winkelmann
Advisor:Carola Winkelmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2019/01/28
Date of publication:2019/01/30
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2019/01/23
Release Date:2019/01/30
GND Keyword:periphyton
Number of pages:105
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 577 Ökologie
BKL-Classification:42 Biologie
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG