The isotopic composition of valves and organic tissue of diatoms grown in steady state cultures under varying conditions of temperature, light and nutrients.Implications for the interpretation of oxygen isotopes from sedimentary biogenic opal as...

Kowalczyk, Krystyna (2005). The isotopic composition of valves and organic tissue of diatoms grown in steady state cultures under varying conditions of temperature, light and nutrients.Implications for the interpretation of oxygen isotopes from sedimentary biogenic opal as... PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The oxygen isotopes of diatomaceous silica from marine and freshwater sediments are frequently used as indicators of the palaeotemperature development, particularly in cases where calcareous microfossils are rare or absent. With regard to terrestrial waters it is unknown whether or not palaeotemperature scale can be used in a limnic ecosystem. Due to the fact that the seasonal variations in lakes are larger than in oceans, specific problems arise when working with freshwater sediments. Thus, an understanding of the contribution of the various factors (e.g. temperature, light, nutrients, competition) influencing the formation of isotope signals in biogenic opal is a prerequisite for the accurate interpretation of environmental processes. Since it is impossible to examine the influence of a single parameter under natural ecosystem conditions due to permanent changes of the environment, laboratory experiments with single diatom species are needed. Therefore, the aim of this study was to investigate the correlation between the oxygen isotope variations in biogenic opal and different environmental parameters using steady state cultures with diatoms. It should be examined whether or not the different diatom species grown under identical conditions show equal oxygen isotope ratios (species relationship), if variations of the water temperature induce variations of the oxygen isotope ratio (relationship with temperature), variable parameters such as light intensity and nitrate concentration influence the isotope ratio, and if vital effects (e.g. growth rate) lead to variations of the oxygen isotope ratio. The experiments with diatoms were carried out using two fermenter systems. An illumination unit, constructed especially for the experiments, produced the necessary natural light spectrum. For the study two diatom species were chosen, which were morphologically different. These were the pennate form Fragilaria crotonensis and the centric form Cyclotella meneghiniana. The diatoms were grown at temperatures of 9, 12, 15, 18, 21 and 24°C. Subsequently, the influence of various nitrate concentrations of the medium (10.5, 21, 52.5 and 105 mg/l) was examined. Moreover experiments with various natural light intensities (200, 500, 1100 and 1700 µmol photons m-2s-1) were performed. Based on the data obtained from the experiments, a negative linear correlation between the oxygen isotope ratio and the water temperature was found for both diatom species. The temperature coefficients obtained in this study were not species-specific. The temperature coefficient determined for Fragilaria crotonensis within the temperature range of 15 - 24°C was ≈ -0.28‰/°C. For Cyclotella meneghiniana grown at a growth rate of 0.34 d-1 employing temperatures in the range of 15 - 21°C, the temperature coefficient was ≈ -0.27‰/°C. The same species grown at a growth rate of 0.2 d-1 and operating in a temperature range of 9 - 18°C also resulted in a temperature coefficient of ≈ -0.27‰/°C. Varying nitrate concentrations examined in this study did not influence the oxygen isotope fractionation between diatomaceous silica and water. This finding is very important for further applications of the oxygen isotope ratio of diatom valves for reconstruction of the water temperature, since varying nitrate concentrations in lakes will not mask the temperature effect. It was also found, that variations in the light intensity influence the oxygen isotope fractionation during diatom valve morphogenesis. The light coefficient (φ) was ≈ 0.05‰/100 µmol photons m-2s-1. The effect of the light intensity is opposite to the effect of the temperature and leads to a partial suppression of the fractionation effect induced by temperature. Thus, the effect of the light intensity should be taken into consideration in reconstructions of the water temperature. Species-specific effects found on the basis of this study are distinctly expressed in the amount of the oxygen isotope fractionation despite equal water temperature. On the one hand, different growth rates caused differences in the fractionation of a single diatom species. On the other hand, there were also differences in the fractionation between diatom species grown with the same growth rate. Thus, for reconstructions of the water temperature, it is important to separate the valves of single diatom species from e.g. a plankton sample. The results of this study increase hitherto existing information about the relationship of the oxygen isotope fractionation between diatomaceous silica and water. The new findings from this study should help in the interpretation of the stable oxygen isotope ratios of diatom valves.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Isotopenzusammensetzung von Schalen und Zellgewebe von Kieselalgen aus stationären Kulturen unter verschiedenen Temperatur-, Beleuchtungs- und Nährstoffbedingungen. -Schlussfolgerungen für die Interpretation von Sauerstoffisotopen biogener Silikate..	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Der biogene Opal aus Kieselalgenschalen wurde in letzter Zeit vermehrt als Paläotemperatur-indikator vor allem dann benutzt, wenn Karbonate als Träger klimatischer Information nicht zur Verfügung standen. Im Hinblick auf terrestrische Gewässer stellt sich aktuell die Frage, ob und inwieweit diese Paläotemperaturskala auch im limnischen Bereich angewendet werden kann. Weil die jahreszeitlichen Variationen in Seen wesentlich höher als in Ozeanen sind, treten bei der Interpretation der ermittelten Signale andere Probleme auf. Die Frage nach Entstehung und der Zusammensetzung von Isotopensignalen ist daher eine große Herausforderung um zu einer korrekten Interpretation zu kommen. Im natürlichen Milieu ist die gezielte Untersuchung einzelner Umweltparameter auf Grund der sich ständig verändernden Bedingungen nahezu unmöglich. Deshalb wurde der Entschluss gefasst, Laboruntersuchungen durchzuführen, bei denen gezielt unter bestimmten vorgegebenen Parametern experimentiert werden konnte. Im vorliegenden Fall wurde entschieden, mit dem Einsatz stationärer Algenkulturen einen möglichen Zusammenhang zwischen Sauerstoffisotopenvariationen und verschiedenen Umweltgrößen zu erarbeiten. An Hand der Arbeit sollte überprüft werden, ob verschiedene Diatomeenarten unter gleichen Bedingungen gleiche Sauerstoffisotopenverhältnisse aufweisen (Artabhängigkeit), ob Variationen der Wassertemperatur zu Veränderungen des Isotopenverhältnisses führen (Temperaturabhängigkeit), ob Variationen der Lichtintensität und Nitratkonzentration (Nährstoffe) zu Veränderungen des Isotopenverhältnisses führen, und ob gewisse biologische Prozesse (z.B. Wachstumsrate) zu Abweichungen vom rein physikalischen Isotopenaustausch führen können. Die Versuchsreihen mit den Diatomeen wurden in zwei Fermentern durchgeführt. Um die Versuche durchzuführen, mußte eine Beleuchtungseinheit mit natürlichem Lichtspektrum konstruiert werden. Für die Untersuchungen wurden zwei Diatomeenstämme ausgewählt, die sich morphologisch unterscheiden. Dies waren: Fragilaria crotonensis aus der Ordnung Pennales und Cyclotella meneghiniana aus der Ordnung Centrales. Die Experimente wurden bei den Temperaturen: 9, 12, 15, 18, 21 und 24°C durchgeführt. Zunächst wurde der Einfluss verschiedener Nitratkonzentrationen im Medium (10.5, 21, 52.5 und 105 mg/l) auf das Verhalten der Diatomeen überprüft. Außerdem wurden Versuche bei verschiedenen Lichtintensitäten (200, 500, 1100 und 1700 µmol Photonen m-2s-1) durchgeführt. Auf Grund der Ergebnisse wurde für beide Arten ein Zusammenhang zwischen dem Isotopenwert des Opalsauerstoffs und der Wassertemperatur gefunden. Dabei hat sich gezeigt, dass die Temperaturkoeffizienten nicht artabhängig sind. Für Fragilaria crotonensis wurde im Temperaturbereich von 15-24°C ein Temperaturkoeffizient von ≈ -0.28 ‰/°C ermittelt. Für Cyclotella meneghiniana, ergab sich mit einer Wachstumsrate von 0.34 d-1 im Temperaturbereich 15-21°C, ein Temperaturkoeffizient von ≈ -0.27 ‰/°C. Dieselbe Art, lieferte bei einer Wachstumsrate von 0.2 d-1 im Temperaturbereich 9-18°C, ebenfalls einen Temperaturkoeffizienten von ≈ -0.27 ‰/°C. Die Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Nitratkonzentrationen zeigte keine Änderung der Sauerstoffisotopenfraktionierung im biogenen Opal. Der Befund ist von großer Bedeutung für Rekonstruktionen der Wassertemperatur mittels der Sauerstoffisotopenverhältnisse von Diatomeenschalen die aus verschiedenen Seen gewonnen werden. Denn verschiedene Seen werden sich normalerweise in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass verschiedene Lichtintensitäten die Sauerstoffisotopen-fraktionierung während des Schalenaufbaus signifikant beeinflussen, allerdings ist der Effekt nicht sehr groß. Der Lichtkoeffizient (φ) beträgt ≈ 0.05 ‰/100µmol Photonen m-2s-1. Der Effekt der Lichtintensität ist gegenläufig zum Temperatureffekt, und führt offensichtlich zu einer Dämpfung des Isotopensignals. Änderungen der Lichtintensität sollten also bei der Interpretation der Sauerstoffisotopenverhältnisse vom Kieselalgenopal berücksichtigt werden. Die in dieser Studie entdeckten speziesspezifischen Effekte beziehen sich auf die Absolutwerte der Fraktionierung, haben jedoch keinen Einfluss auf die Temperaturkoeffizienten, welche speziesunabhängig sind. Die untersuchten Diatomeenarten waren also durch verschiedene Fraktionierungswerte charakterisiert. Offensichtlich spielt die Wachstumsrate bei der Fraktionierung eine entscheidende Rolle.

German

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