Universität zu Köln

Studies on the dynamics of heterotrophic flagellates on biofilm communities

Willkomm, Marlene (2007) Studies on the dynamics of heterotrophic flagellates on biofilm communities. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The importance of biofilms for the self-purification of streams and the high availability of nutrients in biofilms was recognised during the last decades. The knowledge of the colonisation of microorganisms (rotifers, protozoans, bacteria) on biofilms, especially of heterotrophic flagellates, is still limited. Until now most studies are dealing with ciliate communities or determine only the abundance of heterotrophic flagellates but not the taxonomic diversity on riverine biofilms. One important factor determining the colonisation process of microorganisms is the flow velocity. In undisturbed rivers pool and riffle sections are created by different flow velocity conditions due to a heterogenic substrate at the river bed. An anthropogenic enlargement of these sections, especially pool sections, is caused by weirs. Another important parameter influencing the dynamics of microorganisms (e.g. growth rate, division rate and mortality) in biofilms is the temperature which may influence the colonisation speed and carrying capacity on riverine biofilms, too. Detailed investigations on the dynamics of biofilm-dwelling heterotrophic flagellates are still scarce even though these organisms often show the highest abundance compared to other protozoans on riverine biofilms. Field and laboratory experiments were conducted to answer the question on how colonisation and dynamics of heterotrophic flagellates are affected by environmental parameters. Different flow conditions (reservoir and outflow) were created by weirs in field experiments (River Ilm, Thuringia, Germany). The abundance and diversity of heterotrophic flagellates were determined during short-term (between 1 and 14 days) and long-term (14 days) exposures under these different flow velocity conditions. For a detailed insight in the question on how flagellates are affected by different flow velocities (between 0 and 1.2 m s-1) a new method was developed for direct observations under laboratory conditions. In a second series of laboratory experiments, the impact of temperature on the population dynamics of the benthic heterotrophic flagellate, Entosiphon sulcatum, was investigated. Here, a new method was designed to directly determine the mortality of this flagellate. The euglenid Entosiphon was chosen as a model organism due to the fact that the thick pellicle of this species remains after death and its cell does not burst like the other protozoans. The field investigations revealed that the abundance of heterotrophic flagellates was higher in a riffle section than at both weir sites of a river. At flow velocities higher than 0.5 m s-1, abundances of heterotrophic flagellates were significantly lower than abundances at velocities under 0.5 m s-1. In pool sections as well as in riffle sections, ten groups of heterotrophic flagellates were observed during the field experiments (Ancyromonadida, Cercomonadida, Choanoflagellida, Chrysomonadida, Euglenida, Kinetoplastida, Thaumatomonadida, Apusomonadida, Ciliophryida and Cryptomonadida). In the laboratory experiments regarding the behaviour of flagellates under different flow velocities, Entosiphon sulcatum (a gliding euglenid) had the highest resistance towards higher flow velocities. Cercomonas crassicauda (crawling cercomonad) showed the weakest resistance. Laboratory experiments confirmed the field observations regarding the impact of flow velocity on the different morphotypes of heterotrophic flagellates. Investigations of population dynamics regarding the model organism (Entosiphon) revealed a continuous division at temperatures ranging between 0 and 40°C. The division rate at higher temperatures between 25 and 40°C was much higher than the growth rate. This may lead to a significant underestimation of production due to high mortality. The results of this thesis show that flow velocity as well as temperature may influence the colonisation and population dynamic parameters of biofilm-dwelling heterotrophic flagellates. These studies may serve as first steps for a better understanding of the dynamics of heterotrophic flagellates on riverine biofilm.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die Bedeutung der Biofilme für die Selbstreinigung von Flüssen und die hohe Verfügbarkeit von Nährstoffen in Biofilmen wurde während der letzten Jahrzehnte erkannt. Das Wissen über die Besiedlung der Mikroorganismen auf Biofilmen, besonders durch heterotrophe Flagellaten, ist immer noch begrenzt. Bis jetzt beschäftigen sich die meisten Untersuchungen mit der Ciliaten-gemeinschaft oder ermitteln nur die Abundanz der heterotrophen Flagellaten, aber nicht die taxonomische Diversität auf den Biofilmen in Fließgewässern. Ein wichtiger Faktor, der den Besiedlungsprozess der Mikroorganismen bestimmt, ist die Fließgeschwindigkeit. In ungestörten Fließgewässern werden Pool- und Riffle-Bereiche durch die unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten, aufgrund heterogenes Substrat auf dem Flussbett, geschaffen. Eine anthropogene Vergrößerung dieser Bereiche, besonders der Pool-Bereiche, wird durch Wehre verursacht. Ein anderer wichtiger Parameter, der die Dynamiken der Mikroorganismen (z.B. Wachstumsrate, Teilungsrate und Mortalität) auf den Biofilmen beeinflusst, ist die Temperatur, die auch die Besiedlungsgeschwindigkeit und das Fassungsvermögen von Biofilmen in Fließgewässern beeinflussen kann. Detaillierte Untersuchungen der Dynamiken der auf den Biofilm lebenden heterotrophen Flagellaten sind noch immer selten, obwohl sie im Vergleich mit anderen Protozoan auf Biofilmen im Fließgewässer häufig die höchste Abundanz zeigen. Feld- und Laborexperimente wurden durchgeführt, um die Frage zu beantworten wie die Besiedlung und Dynamiken von heterotrophen Flagellaten durch Umweltparameter beeinflusst werden. Verschiedene Fließ-geschwindigkeiten wurden durch Wehre (Staubereich und Ausfluss) in den Feldexperimenten verursacht (Ilm, Thüringen, Deutschland). Die Abundanz und Diversität der heterotrophen Flagellaten wurden während einer Kurzzeit- (zwischen 1 und 14 Tagen) und einer Langzeit- (14 Tage) Exponierung unter diesen unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten bestimmt. Für einen detaillierten Einblick zu der Frage, wie die Flagellaten durch unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten (zwischen 0 und 1,2 m s-1) beeinflusst werden, wurde eine neue Methode zur Direktbeobachtung unter Laborbedingungen entwickelt. In einer zweite Serie von Laborexperimenten wurde der Einfluss der Temperatur auf die Populationsdynamiken des benthischen, heterotrophen Flagellaten, Entosiphon sulcatum, untersucht. Hier wurde eine neue Methode zur Direktbestimmung der Mortalität des Flagellaten entwickelt. Die Euglenide, Entosiphon, war als Modelorganismus ausgewählt worden, da die starke Pellikula von dieser Art nach dem Absterben zurückbleibt und die Zelle nicht platzt wie bei den anderen Protozoan. Die Felduntersuchungen zeigten auf, dass die Abundanz der heterotrophen Flagellaten im Riffle-Bereich höher waren als an beiden Wehrseiten in dem Fluss. Bei Fließgeschwindigkeiten über 0,5 m s-1 waren die Abundanzen der heterotrophen Flagellaten signifikant niedriger als die Abundanzen bei Geschwindigkeiten unter 0,5 m s-1. Sowohl in den Pool-Bereichen als auch in den Riffle-Bereichen wurden zehn Gruppen von heterotrophen Flagellaten während der Feldexperimenten beobachtet (Ancyromonadida, Cercomonadida, Choanoflagellida, Chrysomonadida, Euglenida, Kinetoplastida, Thaumatomonadida, Apusomonadida, Ciliophryida und Cryptomonadida). In den Laborexperimenten hinsichtlich dem Verhalten von Flagellaten unter verschiedenen Fließgeschwindigkeiten, hatte Entosiphon sulcatum (eine sich gleitend bewegende Euglenide) die höchste Resistenz gegen höhere Fließgeschwindigkeiten. Cercomonas crassicauda (kriechende Cercomonade) zeigte die niedrigste Resistenz. Die Laborexperimente bestätigten die Feldbeobachtungen bezüglich des Einflusses der Fließgeschwindigkeit auf die verschiedenen Morphotypen heterotropher Flagellaten. Die Untersuchungen der Populationsdynamiken hinsichtlich des Modellorganismus (Entosiphon) zeigten eine kontinuierliche Teilung bei Temperaturen, die sich zwischen 0 und 40°C bewegten, auf. Die Teilungsraten bei hohen Temperaturen zwischen 25 und 40°C waren viel höher als die Wachstumsraten. Dies kann zu einer signifikanten Unterschätzung der Produktion wegen der hohen Sterblichkeit führen. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen, dass sowohl die Fließ-geschwindigkeit als auch die Temperatur die Besiedlung und die populationsdynamischen Parameter der auf den Biofilmen lebenden, heterotrophen Flagellaten beeinflussen können. Diese Studien können als erste Schritte für ein besseres Verständnis der Dynamiken der heterotrophen Flagellaten auf Biofilmen in Fließgewässern dienen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Willkomm, Marlenemarlene.willkomm@erftverband.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-21287
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Protozoa, Biofilm, heterotrophe Flagellaten, FließgeschwindigkeitGerman
    Protozoa, biofilm, heterotrophic flagellates, flow velocityEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Zoologisches Institut
    Language: English
    Date: 2007
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 21 June 2007
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 06 Sep 2007 12:41:15
    Referee
    NameAcademic Title
    Arndt, HartmutProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2128

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