Eutrophication led to the loss of the macrophyte-dominated clear-water regime and a shift towards a phytoplankton-dominated turbid regime in many shallow lakes. Allelochemicals released by submerged macrophytes can inhibit the growth of phytoplankton and might therefore contribute to the stabilization of the clear-water regime. This thesis aims to determine the ecological relevance of allelopathic effects between macrophytes and the phytoplankton by detecting new modes of actions of allelochemicals (chapter II) and by evaluating factors that influence the sensitivity of the phytoplankton (chapters III-V). The significance of allelopathic effects of macrophytes on phytoplankton at the ecosystem scale is still debated. The currently available detection methods have some drawbacks if used for in situ investigations as they do not allow a clear separation of allelopathy from other mechanisms. A common problem is competition for nutrients between phytoplankton and macrophytes that is assumed to increase with increasing exposure times. In chapter II new modes of action of the common allelochemical tannic acid were evaluated on three algal species by the use of flow cytometry. The inhibition of esterase activity and the production of reactive oxygen species (ROS) were found as new observation variables. An inhibition of the esterase activity was shown after short exposure times (3 h) and at naturally occurring tannic acid concentrations and is thus a promising tool for future studies on allelopathic effects from submerged macrophytes on phytoplankton under in situ conditions (chapter II). The reasons for sensitivity differences of phytoplankton groups and species to allelochemicals are not yet known. Two factors potentially influencing the sensitivity of the phytoplankton to allelochemicals were tested in this thesis by evaluating the influence of algal-associated bacteria (chapter III), and the impact of interactions between two phytoplankton species on their sensitivity (chapter IV). One prerequisite for bacterial involvement in different sensitivities is their species-specific association to the algae. This hypothesis was tested by comparing the algal-associated bacterial communities of the insensitive green alga Desmodesmus armatus and the sensitive diatom Stephanodiscus minutulus after drastic changes to the environmental conditions. Both species, D. armatus as well as S. minutulus, were found to harbor species-specific bacterial communities. However, allelochemical degrading bacteria were associated with both of the tested species, and consequently a bacterial involvement with species-specific sensitivities is not likely (chapter III). The influence of interactions between phytoplankton species on their sensitivity to allelochemicals was investigated using the cyanobacterium Microcystis aeruginosa and the green alga D. armatus (chapter IV). Their interactions significantly altered their sensitivity to allelochemicals. Growth rate inhibition of M. aeruginosa by the allelopathically active macrophyte Myriophyllum spicatum in single-species cultures changed to an enhancement if co-cultured with D. armatus. This finding implies that results of single-species tests may not easily be transferred to the ecosystem level (chapter IV). Algal sensitivities to stressors have been analyzed at the group, genus or species level. However, sensitivities of algae to allelochemicals may also be strain-specific, and these sensitivities may depend on the presence of allelopathically active macrophytes in their original habitat due to potential adaptations. To test this, 13 strains of the green alga Pediastrum duplex were isolated from three different macrophyte-free water bodies, and ten strains from two water bodies containing dense stands of allelopathically active macrophytes. The tested strains exhibited differences of sensitivity to allelochemicals with respect to growth rates and photosynthetic yields of about one order of magnitude. Consequently, future studies on allelochemical sensitivities of algae should also consider strain-specific sensitivities. However, the sensitivities of P. duplex growth rates and photosynthetic yields to allelochemicals were not dependent on the presence of allelopathically active macrophytes in their water bodies of origin. Thus, a local adaptation of the target algae to allelochemicals of submerged macrophytes was not shown.
Durch Eutrophierung verloren viele der mitteleuropäischen Flachseen den von Makrophyten dominierten Klarwasser-Zustand und gingen in den Phytoplankton dominierten trüben Zustand über. Allelopathische Substanzen, die von aquatischen Makrophyten exudiert werden, können das Wachstum des Phytoplanktons inhibieren und damit potenziell zu einer Stabilisierung des Klarwasser-Zustandes in eutrophen Gewässern führen. Die vorliegende Arbeit trägt zur Aufklärung der ökologischen Relevanz dieser allelopathischen Effekte der Makrophyten auf das Phytoplankton bei, indem die Wirkmechanismen allelopathischer Substanzen (Kapitel II) und Faktoren, die die Sensitivität des Phytoplanktons beeinflussen (Kapitel III-V), erörtert werden. Die Signifikanz allelopathischer Effekte von Makrophyten gegenüber dem Phytoplankton auf Ökosystemebene ist umstritten. Einen Hauptgrund hierfür stellen die bisher etablierten Nachweismethoden dar, welche Einschränkungen für die Messung allelopathischer Effekte in situ aufweisen. Daher gelang es bisher nicht, Allelopathie aquatischer Makrophyten unter in situ Bedingungen zweifelsfrei von anderen Effekten zu separieren. Problematisch ist insbesondere der Ausschluss einer Nährstoffkonkurrenz zwischen Makrophyten und Phytoplankton, die mit zunehmender Expositionszeit zu erwarten ist. In Kapitel II wurden neue Wirkmechanismen einer typischen polyphenolischen Allelochemikalie (Tanninsäure) mittels Durchflusszytometrie mit Fluoreszenzmarkern an drei Algenarten evaluiert. Hierbei konnten die Inhibition des Enzymes Esterase und die Produktion reaktiver Sauerstoff- Radikale als neue Anzeiger für allelopathische Effekte detektiert werden. Die nach kurzer Expositionszeit (3 h) und unter natürlich vorkommenden Tanninsäure-Konzentrationen nachgewiesene Inhibition der Esterase-Aktivität stellt eine vielversprechende neue Methodik zur Untersuchung allelopathischer Effekte submerser Makrophyten auf Phytoplankton unter in situ Bedingungen dar (Kapitel II). Die Gründe für unterschiedliche Sensitivitäten verschiedener Phytoplankton-Gruppen und -Arten gegenüber Allelochemikalien sind bisher unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden der Einfluss Algen-assoziierter Bakterien (Kapitel III) und der Einfluss von Interaktionen zwischen verschiedenen Phytoplanktonarten (Kapitel IV) als potentielle Einflussfaktoren untersucht. Eine Voraussetzung für die Beteiligung assoziierter Bakterien an unterschiedlichen Sensitivitäten ist eine Algenart-spezifische Assoziation. Diese Hypothese wurde durch Vergleiche der Algen-assoziierten Bakteriengemeinschaften vor und nach drastischen Umweltveränderungen der gegenüber Allelochemikalien unsensitiven Grünalge Desmodesmus armatus und der sensitiven Kieselalge Stephanodiscus minutulus getestet (Kapitel III). Sowohl für D. armatus als auch für S. minutulus wurden artspezifische Bakteriengemeinschaften nachgewiesen (Kapitel III). Allelochemikalien abbauende Bakterien fanden sich jedoch in Assoziation mit beiden Algenarten, so dass deren signifikante Beteiligung an artspezifischen Sensitivitätsunterschieden nicht wahrscheinlich ist (Kapitel III). In Kapitel IV wurde der Einfluss von Interaktionen zwischen Phytoplanktonarten auf deren Sensitivität gegenüber Allelochemikalien am Beispiel der Cyanobakterie Microcystis aeruginosa und der Grünalge D. armatus untersucht. Hierbei veränderte die Interaktion der beiden Phytoplanktonarten deren Sensitivität gegenüber Allelochemikalien signifikant. Die in einartlichen Kulturen von M. aeruginosa nachgewiesene Inhibition der Wachstumsraten durch die allelopathisch aktive Makrophytenart Myriophyllum spicatum wandelte sich in Mischkulturen mit D. armatus in eine Förderung. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass Resultate aus Experimenten mit einartlichen Kulturen nur bedingt auf die Freilandsituation übertragbar sind (Kapitel IV). Ein Vergleich der Sensitivitäten des Phytoplanktons gegenüber Allelochemikalien erfolgte bisher nur auf Gruppen-, Gattungs- oder Artniveau. In Kapitel V wurde getestet, ob auch stammspezifische Unterschiede in der Sensitivität auftreten, und ob diese Sensitivitäten aufgrund von Adaption von der Anwesenheit allelopathisch aktiver Makrophyten im Herkunftsgewässer der Stämme abhängen. Um dies zu überprüfen wurden 13 Stämme der Grünalge Pediastrum duplex aus drei verschiedenen Makrophyten-freien Gewässern und 10 Stämme aus zwei Gewässern mit allelopathisch aktiven Makrophyten isoliert. Anschließend wurden die Wachstumsraten und die photosynthetische Aktivität aller Stämme unter Einfluss von Allelochemikalien gemessen. Die getesteten Stämme wiesen Unterschiede in der Inhibition ihrer Wachstumsraten und photosynthetischen Aktivität von ca. einer Größenordnung auf. Zukünftige Sensitivitätstests sollten also stammspezifische Unterschiede berücksichtigen, da das Artniveau nicht ausreichend trennscharf bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber Allelochemikalien ist. Eine Korrelation von niedrigen Sensitivitäten mit der Herkunft aus Makrophyten-dominierten Gewässern wurde allerdings weder für die Wachstumsraten noch für die photosynthetische Aktivität festgestellt. Somit konnte keine lokale Adaption der Algen an Allelochemikalien nachgewiesen werden.
