Community and population dynamics in lakes under global change

Abstract

Humans have been strongly impacting natural processes both directly and indirectly. Consequences of these influences - encompassed as global environmental change - include climatic alterations, biodiversity loss and shifts in disease spread. In lake ecosystems, environmental alterations can affect for instance the thermal stratification, light regime, as well as loadings of humic dissolved organic carbon (DOC) and phosphorus (P). Increases in concentrations of humic DOC have been reported to reduce primary production due to darkening of the surface water, and to alter microbial activity. Input of P generally increases lake productivity, while differently affecting certain organismal groups. All these mechanisms can induce cascading effects, leading to changes in food web interactions and community composition. In extreme cases, P input can also result in the occurrence of algal blooms which disrupt ecosystem functioning and decouple nutrient transfer from primary to secondary producers. This thesis focused on two main topics: first, how increases in humic DOC, with or without simultaneous P addition, affect a key zooplankter in lakes - the cladoceran Daphnia - at the organismal, population and lake community level. Second, I investigated the role of parasites in the nutrient transfer between phytoplankton and zooplankton during algal blooms. I exposed different Daphnia species and genotypes to several concentrations of humic DOC in two laboratory experiments. Direct effects of humic DOC on Daphnia physiology strongly differed between species and genotypes, potentially affecting Daphnia community and population dynamics (i.e. inter- and intraspecific competition) in natural settings. Simultaneous additions of humic DOC and P in a large-scale mesocosm experiment revealed that negative effects of humic DOC on Daphnia fitness observed in the laboratory do not necessarily translate into natural conditions due to additional interactions. To investigate how parasites can affect food web interactions, a laboratory experiment was carried out in which Daphnia were fed with cyanobacteria that were either uninfected or infected with a chytrid fungus. This study demonstrated the existence of a parasite-mediated trophic transfer between phytoplankton and zooplankton, as Daphnia fitness was improved under infected cyanobacteria diet. Overall, this thesis shows that environmental alterations can have complex effects on organisms, populations and communities in lakes, whereas the specific consequences are system-dependent. Thus, different systems need to be investigated in detail to better understand complex dynamics and their underlying mechanisms under varying environmental conditions.

Die Menschheit hat einen starken Einfluss auf natürliche Prozesse, sowohl direkt als auch indirekt. Auswirkungen dieser Einflüsse – zusammengefasst als Globaler Umweltwandel – umfassen klimatische Veränderungen, Verlust von Biodiversität und Verschiebungen in der Ausbreitung von Krankheiten. In Seen können Umweltveränderungen u.a. die Temperaturschichtung, den Lichteinfall sowie den Eintrag von Huminstoffen und Phosphor beeinflussen. Die Zunahme von Huminstoffen verringert die Primärproduktion durch Verdunkelung des Oberflächenwassers, und verändert die mikrobielle Aktivität. Der Eintrag von Phosphor erhöht generell die Produktivität von Seen, wobei bestimmte Organismengruppen unterschiedlich darauf reagieren. Diese Mechanismen können Dominoeffekte auslösen, die zu Veränderungen in Nahrungsnetzinteraktionen und der Zusammensetzung von Taxongemeinschaften führen. In Extremfällen kann Phosphoreintrag zum Auftreten von Algenblüten führen, die die Funktionsfähigkeit von Seen stören sowie die Nährstoffübertragung zwischen Primär- und Sekundärproduktion unterbrechen. Diese Arbeit umfasst zwei Hauptthematiken: erstens, wie die Zunahme von Huminstoffen, mit oder ohne gleichzeitigem Phosphoreintrag, eine Schlüsselzooplanktonspezies in Seen, den Cladoceren Daphnia, auf Organismen-, Populations- und Taxonebene beeinflusst. Zweitens, wurde die Bedeutung von Parasiten in der Nährstoffübertragung zwischen Phyto- und Zooplankton während Algenblüten untersucht. Verschiedene Daphnien Spezies und Genotypen wurden mehreren Konzentrationen eines Huminstoffs in zwei Laborexperimenten ausgesetzt. Es gab deutliche Unterschiede in den direkten Effekten auf die Physiologie der Spezies und Genotypen. Unter natürlichen Bedingungen könnte dies zu Auswirkungen auf Taxon- und Populationsdynamiken von Daphnien führen (d.h. inter- und intraspezifische Konkurrenz). Die gleichzeitige Zugabe des Huminstoffs und Phosphor in einem groß angelegten Mesokosmen-Experiment zeigte, dass negative Effekte des Huminstoffs auf die Fitness von Daphnia nicht notwendigerweise unter natürlichen Bedingungen zutage kommen. Um zu untersuchen, wie Parasiten Nahrungsnetzinteraktionen beeinflussen, wurde ein Laborexperiment durchgeführt, in dem Daphnien mit Cyanobakterien gefüttert wurden, die entweder mit einem Chytridpilz infiziert wurden oder uninfiziert blieben. Diese Studie demonstrierte die Existenz einer Parasiten-vermittelten Nährstoffübertragung zwischen Phyto- und Zooplankton, da die Fitness von Daphnia unter infizierter Nahrung verbessert war. Insgesamt zeigt die vorliegende Arbeit, dass Umweltveränderungen komplexe Effekte auf Organismen, Populationen und Taxongemeinschaften in Seen haben, wobei die spezifischen Auswirkungen System-abhängig sind. Daher sollten verschiedene Systeme detailliert untersucht werden, um komplexe Dynamiken und deren zugrunde liegenden Mechanismen unter sich verändernden Umweltbedingungen besser zu verstehen.