Universität zu Köln

Viergutz, Carsten Ralf (2012). Seasonal feeding patterns, growth dynamics and the impact of warming on the grazing effects of invasive freshwater bivalves. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In the present study factors affecting the filtration activity and grazing effects of the freshwater bivalves Corbicula fluminea and Dreissena polymorpha were investigated. This was done with a combination of laboratory and field related experimental approaches. Both bivalves represent keystone species, who can have a large impact on planktonic community composition and the flux of matter in ecosystems. Additionally the whole seasonal population dynamics of C. fluminea were investigated to provide a basis for future predictions and modelling approaches. The first part of the present work concentrated on the impact of warming on the grazing rates of C. fluminea and D. polymorpha and their natural prey organisms such as heterotrophic flagellates. Therefore filtration experiments were performed in circulating flow channels to provide a natural current by using untreated water from a large river (River Rhine, NRW, Germany). It was shown that the increase of the prey´s growth rates was much stronger than that of the predator´s grazing rates when temperatures were increased from 19°C to over 25°C. When performing the same experiments using a benthic microbial predator community (biofilms dominated by suspension-feeding ciliates), an increase of the grazing rates relative to the growth rates with temperature could be observed. The data shows, that a predator-prey interaction between the macrofauna (Bivalves) and their unicellular prey community can change significantly under the impact of increasing temperature when consumpiton and growth rates develop differentially. This can lead to netto-decrase of the prey abundance. The data suggests that the predator-prey interaction which is balanced at moderate temperatures can become unbalanced with increasing temperature. In the second part of this work the role of Dreissena polymorpha in mediating effects of high summer temperatures on the dominant components of natural river plankton was investigated. It was shown that both heterotrophic flagellates and algae increase in abundance at temperatures above 20°C because of decreasing grazing activity of D. polymorpha at such temperatures. Bacteria, as the main prey of the heterotrophic flagellates, decreased in abundance with increasing temperature, suggesting a trophic cascade (mussel - flagellates - bacteria) that is altered by the temperature response of the mussel ingestion. The data thus demonstrates that microbial communities controlled by a macrofaunal component can experience substantial changes at high summer temperatures because of differential development of direct and indirect grazing effects with temperature. In the third part of the present work, seasonal and interannual variability of C. flumineas grazing activity was investigated. Strong seasonal variations, such as a 50-fold increase from February to July, were observed. These variations were only poorly linked to temperature, as they could be found at both the ambient field temperature and a constant temperature of 15°C. It was shown that highest grazing activity was found at periods of highest reproduction activity. Additionally it was shown that the grazing activity was very low from March to August 2009 compared to the same period in 2008 after the bivalves experienced a period of two weeks with low winter temperatures close to the lethal temperature of 2°C. Such low temperatures lead to reduced reproduction rates as shown in previous studies. It was demonstrated that other factors besides temperature probably associated to life-history can have a large impact on the grazing activity of bivalves. The last part of this study concentrated on the shell growth of C. fluminea. The shell growth of more than 50 individuals was observed over a period of more than one year. It was confirmed, that shell growth decreases with increasing shell size. The data was used to generate growth curves over a period of several years with the help of a von Bertalanffy growth model. Additionally the model was used to estimate the age at a given length, the maximum age (7.3 years) and the maximum shell length of C. fluminea in the River Rhine. Taken together, the present study demonstrated that temperature increase can alter a predator-prey interaction when grazing rates of the predators and growth rates of the prey develop asynchronously with increasing temperature. It was shown that warming can differentially influence organisms on different trophic levels by trophic cascading (mussels-flagellate-bacteria). Additionally, the long-term (whole season) studies showed that there are other factors besides temperature such as cold winter periods or reproduction activity that can surpass direct temperature effects. The last part of the study provided basic data about population dynamics of C. fluminea. Both the short-term grazing experiments and the long-term studies provide new patterns and mechanics, which are relevant to accurately predict the performance and the effects of invasive bivalves under changing environmental conditions.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In der vorliegenden Arbeit wurde die Steuerung der Filtrationsaktivität der Süßwassermuscheln Corbicula fluminea und Dreissena polymorpha sowie deren Konsequenzen auf aquatische Nahrungsnetze unter Klimaveränderungs-Szenarien untersucht. Dazu wurden Untersuchungen unter naturnahen Bedingungen (Rheinwasser-durchfluss) auf der Ökologischen Rheinstation der Universität zu Köln mit Laborversuchen unter kontrollierten Bedingungen kombiniert. Zusätzlich wurden grundlegende Daten zur Populationsdynamik von C. fluminea ermittelt. Der erste Teil dieser Arbeit befasste sich mit dem Einfluss von Erwärmung auf C. fluminea und D. polymorpha sowie auf deren bevorzugte Nahrung (optimale Größe) in Form von heterotrophen Flagellaten. Hierzu wurden Filtrationsexperimente mit natürlichem Wasser aus einem großen Fluss (Rhein, NRW, Deutschland) in zirkulierenden Fließzylindern durchgeführt. Es zeigte sich, dass bei einer Temperaturerhöhung von 19°C auf über 25°C die Aufnahmeraten der Muscheln weit weniger stark anstiegen als die Wachstumsraten der einzelligen Beuteorganismen. Eine mikrobielle Prädatoren-gemeinschaft (Biofilm) zeigte im Vergleich zu den Muscheln einen stärkeren Anstieg der Aufnahmeraten im Vergleich zu den Wachstumsraten der einzelligen Beuteorganismen. Die Daten demonstrieren, dass es bei Räuber-Beute-Beziehungen zwischen der Makrofauna (Muscheln) und einzelligen Beutegemeinschaften bei Temperaturänderungen zu einer Verschiebung von Aufnahme- und Wachstumsraten kommen kann. Dies kann schließlich zu einer Netto-Änderung der Beutedichten führen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde in Filtrationsexperimenten die Rolle von Makrograzern (D. polymorpha) bei der Übertragung von Temperatureffekten auf dominante Komponenten natürlichen Flussplanktons untersucht. Es zeigte sich, dass sowohl heterotrophe Flagellaten als auch Algen von den verringerten Aufnahmeraten der Muscheln bei erhöhten Temperaturen profitieren konnten. Die Abundanz der Bakterien (als bevorzugte Nahrungsquelle der Flagellaten) hingegen, wurde bei zunehmender Temperatur verringert. Dies läßt auf eine trophische Kaskade (Muscheln-Flagellaten-Bakterien) schliessen, die durch den Einfluss von Temperatur auf die Aufnahmeraten der Muscheln verändert wird. Im dritten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Langzeitversuche zur Filtrationsleistung von C. fluminea durchgeführt. Dabei wurde sowohl die Variabilität der Filtrationsleistung innerhalb eines Jahres als auch die Variabilität zwischen verschiedenen Jahren untersucht. Es zeigte sich eine starke saisonale Variabilität der Filtrationsleistung, die nicht allein mit dem Einfluss der Temperatur erklärt werden konnte, da sie sowohl bei der normalen Umgebungstemperatur als auch bei einer konstanten Temperatur von 15°C gemessen wurde. Der Zeitpunkt der höchsten Filtrationsleistung korrelierte dabei mit dem Zeitpunkt der höchsten Reproduktions-aktivität. Die Filtrationsleistung war dabei von März bis August 2009, nach einer zweiwöchigen Phase mit Temperaturen um 2°C im Januar 2009, im Vergleich zum selben Zeitraum im Jahr 2008 stark reduziert. Es konnte gezeigt werden, dass es neben direkten Temperatureffekten auch weitere Faktoren gibt, die einen starken Einfluss auf die Filtrationsleistung von Muscheln haben können. Insbesondere Ereignisse wie Reproduktionsphasen der Muscheln bzw. Faktoren die diese Reproduktionsphasen beeinflussen können (niedrige Temperaturen im Winter) zeigten dabei einen großen Einfluß auf die Filtrationsleistung. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde das Schalenwachstum von C. fluminea anhand von mehr als 50 Individuen untersucht. Es zeigte sich, dass das Schalenwachtsum mit zunehmender Schalenlänge abnimmt. Die erhaltenen Daten wurden verwendet, um mit Hilfe der "von Bertalanffy Wachstums-Funktion" das Wachstumsverhalten von C. fluminea über mehrere Jahre zu modellieren. Zusätzlich konnten mit dem Modell Populationsparameter wie z. B. das Alter bei jeder beliebigen Länge, das maximale Alter (7,3 Jahre) und die maximale Schalenlänge (35,6 mm) von C. fluminea im Rhein geschätzt werden. Zusammengefasst zeigen die hier vorgestellten Arbeiten, dass Temperaturerhöhung eine Räuber-Beute Interaktion zwischen Makro- und Mikrofauna verändern kann, indem sich Aufnahmeraten und Wachstumsraten mit steigender Temperatur asynchron entwickeln. Dieser Temperatureffekt kann sich in einer trophischen Kaskade (Muscheln-Flagellaten-Bakterien) auch auf mehrere trophische Ebenen fortsetzen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass es neben dem Einfluss der Temperatur weitere Faktoren im saisonalen Kontext gibt, die direkte Temperatureffekte überlagern können. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wurden grundlegende Daten zur Populationsdynamik von C. fluminea ermittel. Die Aspekte dieser Studie können Vorhersagen zum Einfluss von Süßwassermuscheln auf Fließwasserökosysteme sowie zur Entwicklung der Muscheln verbessern. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Viergutz, Carsten Ralf caviergutz@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-50926
Date:	15 September 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Corbicula fluminea, Dreissena polymorpha, climate change, River Rhine. UNSPECIFIED
Date of oral exam:	9 November 2012
Referee:	Name Academic Title Arndt, Hartmut Prof.Dr. Weitere, Markus Prof. Dr. von Elert, Eric Prof. Dr.
Projects:	DFG Priority Programme AQUASHIFT
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5092