Universität zu Köln

Impact of warming on fitness, phenology and feeding activity of riverine benthic filter feeders

Vohmann, Andreas (2008) Impact of warming on fitness, phenology and feeding activity of riverine benthic filter feeders. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Aufgrund des aktuellen, anthropogen verursachten Klimawandels erlangt ökologische Klimafolgenforschung zunehmende Wichtigkeit. In den hier vorgestellten Untersuchungen wurde der Einfluss von Erwärmung auf das Fraßverhalten, die Phenologie und die Fitness benthischer Filtrierer untersucht. Diese steuern durch ihren Planktonkonsum maßgeblich Stoffumsatzprozesse besonders in großen Fließgewässern. Zudem ist ihre Aktivität in hohem Maße sensitiv gegenüber Temperaturänderungen. Die hier durchgeführten Unter¬suchungen wurden unter naturnahen Bedingungen (Durchfluss natürlichen Rheinwassers) auf der Ökologischen Rheinstation der Universität zu Köln durchgeführt. Die Körbchenmuschel Corbicula fluminea diente zunächst als Modell¬organismus. Sie ist eine neuzeitlich eingewanderte Art, die in hohen Abundanzen in Fließgewässern der nördlichen Hemisphäre vorkommt und bezüglich ihrer Filtrationseffekte häufig untersucht wurde. Hier wurde der Effekt von Erwärmung auf Fitnessparameter in temperaturmanipulierten Bypass¬systemen (natürliche Temperatur sowie moderate Erhöhung um 3°C) zum Rhein untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass es bereits unter natürlichen Bedingungen (unmanipuliertes Rheinwasser) im Verlauf des Sommers zu einer Gewichtsreduktion der Körbchenmuschel kommt. Dieser Effekt wurde durch die experimentelle Erwärmung signifikant verstärkt. Eine experimentelle Erhöhung der Futterkonzentration dämpfte den negativen Temperatureinfluss und führte zu einem deutlichen Anstieg der Körpermasse. Dies zeigt zum einen, dass Corbicula fluminea in den Sommermonaten im Rhein nahrungslimitiert ist. Zum anderen stützt das Ergebnis die Hypothese, dass erhöhte energetische Kosten mit steigender Temperatur und bei limitierter Nahrung als wichtige Ursache für die beobachteten Gewichtsverluste zu sehen sind. In Respirationsmessungen konnte dazu gezeigt werden, dass Erwärmung bis 30°C zu einem exponentiellen Anstieg des Grundstoffwechsels (und damit des Energiebedarfs) führte, während Literaturdaten zeigen, dass Erwärmung über 25°C bereits zu einer Abnahme der Filtrierrate (und damit der Energieaufnahme) führen. Im Gegensatz zur Kontrolle der Körpermasse wurde das Schalenwachstum durch Erwärmung stimuliert. Diese unterschiedliche Steuerung von Körpermasse und Schalenlänge führte zu einem zusätzlichen negativen Effekt von Erwärmung auf die relative Körpermasse. Die insgesamt negativen Effekte durch sommerliche Erwärmung stehen im Gegensatz zu positiven Effekten von winterlicher Erwärmung auf die Körpermasse sowie die Fekundität zur Hauptreproduktionszeit der Muscheln im April. In einem weiteren Teil der Arbeit wurden der Süßwasserschwamm Ephydatia muelleri und die Moostierchen Fredericella sultana und Plumatella emarginata betrachtet. Beide Taxa kommen in hohen Dichen in Süßgewässern und besonders in großen Fließgewässern vor, fanden bislang aber wenig Beachtung in Untersuchungen zu deren Funktion im Ökosystem. In Flie߬kammern wurde hier erstmalig die Filtrierrate der Organismen auf verschiedene planktische Größenklassen quantifiziert und der Temperatureinfluss auf die Filtration getestet. Die Filtrationsrate von Ephydatia muelleri stieg mit steigender Temperatur an. Plumatella emarginata zeigte zwar eine hohe saisonale Variabilität der Filtrationsrate, allerdings keine Reaktion auf die Erwärmung innerhalb eines Versuchstermins. Sowohl Schwämme, als auch Moostierchen bilden im Winter Dauerstadien. Eine Erwärmung um 3°C hatte dabei eine Verzögerung der Dauerstadienbildung bei Ephydatia muelleri zur Folge. Ähnliches konnte für keine der beiden Moostierchenarten gezeigt werden. Der verhältnismäßig milde Winter 2006/2007 führte bei Fredericella sultana über den ganzen Winter zu geringen Abundanzen aktiver Zooide, die in den warmen Versuchsrinnen deutlich höher waren. Die Erwärmung führte bei Plumatella emarginata zu einer deutlich stärkeren Entwicklung aktiver Zooide im Frühjahr. Ein vergleichbarer Temperatureinfluss im Frühjahr konnte weder für Ephydatia muelleri, noch für Fredericella sultana eindeutig gezeigt werden. Zusammenfassend zeigen die Resultate unterschiedliche Einflüsse von Temperaturerhöhung. Im Vergleich der Bryozoen und Schwämme wurden dabei artspezifische Unterschiede sowohl in der Reaktion der Filtrierraten als auch des Timings der Winterruhe auf Erwärmung gemessen. Für Corbiula fluminea wurde gezeigt, dass sich Klimaerwärmung jahreszeitlich unter¬schiedlich auf die Fitness der Art auswirken kann. Die daraus resultierende Vielseitigkeit der Temperatureffekte muss in Modellen zur Abschätzung von Klimaänderungen auf Fließwasserökosysteme berücksichtigt werden.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    The current global warming challenge ecologists to asses consequences on ecosystem processes. The present study focussed the impact of warming on the feeding behaviour, the phenology and the fitness of benthic filter feeders. Benthic filter feeders can have a considerable impact on shallow freshwater ecosystems, especially large rivers, by controlling plankton communities,. The activity of benthic filter feeder is sensitive towards temperature changes. The experiments of this study were performed under natural conditions at the Ecological Rhine Station at the University of Cologne by using river water in bypass systems. In the first parts of this thesis, Corbicula fluminea was used as model organism. The invasive mussel is abundant in many freshwater ecosystems of the northern hemisphere and well studied regarding their filtration impact. It has colonized the Rhine in the 1980s. Here the focus was on the impact of warming on the fitness of the mussel using experimentally warmed bypasses to the River Rhine. It was shown that the body mass decreases strongly during summer even under natural conditions (non-manipulated treatments), which was significantly enhanced under experimental warming of 3°C above the natural Rhine temperature. An experimental food supplementation compensated the negative warming effect on the body mass. This demonstrates on the one hand that Corbicula fluminea is food limited during summer in the Rhine. On the other hand it supports the hypothesis that higher energetic costs with increasing temperatures at limited food conditions during summer is an important reason for the observed body mass decrease. On this account, measurements of the oxygen consumption showed an increase of the respiration rate until 30°C, whereas data reported in literature showed a decrease of the filtration rate with warming already at 25°C. This differential development of food uptake and food demand can thus result in a further increase the starvation stress at warm temperatures. In contrast to the body mass, the increase of the shell length was stimulated by temperature. This different control of body mass and shell length resulted in an additional negative impact of the relative (size-specific) body mass. The overall negative impacts of summer warming stands in contrast to a positive response to winter warming. The moderate experimental warming of 3°C above the river temperature resulted in strong and significant increases of the body mass as well as of the fecundity in spring, the main reproductive period of the mussels. Another part of the study dealt on other potentially important freshwater filter feeders, i.e. the sponge Ephydatia muelleri and the bryozoans Plumatella emarginata and Fredericella sultana. Both taxa can reach high abundances in freshwater ecosystems, especially in large rivers, but were often overlooked regarding their function within the ecosystem. The size-selective feeding rate as well as its impact on temperature was quantified in this study for the first time. The feeding rate of Ephydatia muelleri was stimulated by temperature. Plumatella emarginata showed a high seasonal variability in their feeding activity, which was, however, not affected by warming within one experiment. Both, the sponges as well as the bryozoans forming resting stages during winter. Warming of 3°C above river temperature resulted in a delay of the diapause of Ephydatia muelleri. No such results regarding the formation of resting states during fall could not be found for the bryozoans Plumatella emarginata or Fredericella sultana. During the relatively warm winter 2006/2007, low abundances of active zooids of Fredericella sultana remained during the whole winter, a phenomenon which was stimulated by experimental warming. Furthermore, experimental warming led to an earlier and stronger development of active zooids of Plumatella emraginata in spring. Similar effects were neither found for Fredericella sultana nor for Ephydatia muelleri. Altogether we found different impacts of warming on the seasonal occurrence, fitness and feeding rates of freshwater filter feeders. Comparing the sponge and the bryozoans we found species specific responses to warming regarding the feeding activity as well as regarding the timing of the diapauses. For Corbicula fluminea we found seasonal contrasting impact of warming on the fitness, showing a trade-off between summer and winter warming. These different types of responses towards warming must be considered when modelling the consequences of climate change on the bentho-pelagic coupling in freshwater ecosystems.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Vohmann, AndreasAndreas.Vohmann@googlemail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-25148
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Klimawandel , Corbicula fluminea , Süßwasserschwämme , Bryozoen , FiltrationGerman
    global warming , grazing , sponges , bryozoans , Corbicula flumineaEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Zoologisches Institut
    Language: German
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 20 October 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 14 Nov 2008 08:48:32
    Referee
    NameAcademic Title
    Arndt, HartmutProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2514

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