dc.contributor.author
Grubisic, Maja
dc.date.accessioned
2018-06-07T17:05:42Z
dc.date.available
2017-07-14T08:34:38.219Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/3399
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7599
dc.description
Table of contents Summary
.....................................................................................................................
V Zusammenfassung
......................................................................................................
VII Thesis outline
...............................................................................................................
IX List of figures
...............................................................................................................
XI List of tables
................................................................................................................
XV 1\. General introduction
..................................................................................................
1 1.1. Distribution of artificial light at night and implications for
freshwater ecosystems ...1 1.2. Importance of light for primary producers
............................................................... 2 1.3. Benthic
primary producers and periphyton: distribution, roles and community dynamics
in freshwaters
...............................................................................................
3 1.4. Importance of light for periphyton communities
..................................................... 4 1.5. Potential effects
of artificial light at night on primary producers
............................. 6 1.6. Research gaps, aims and structure of the
thesis ................................................... 7 References
(Chapter 1)
................................................................................................
11 2\. Artificial light at night decreases biomass and alters community
composition of benthic primary producers in a sub-alpine stream
........................................................15 2.1. Abstract
.................................................................................................................
16 2.2. Introduction
............................................................................................................
16 2.3. Methods
.................................................................................................................
19 2.4. Results
...................................................................................................................
26 2.5. Discussion
.............................................................................................................
29 2.6. Conclusions
...........................................................................................................
33 Acknowledgements
.......................................................................................................
33 References (Chapter 2)
................................................................................................
35 3\. A pigment composition analysis reveals community changes in stream
periphyton under low-level artificial light at night
............................................................................
41 3.1. Abstract
.................................................................................................................
41 3.2. Introduction
............................................................................................................
41 3.3. Methods
.................................................................................................................
42 3.4. Results
...................................................................................................................
43 3.5. Discussion
.............................................................................................................
47 3.6. Conclusions
...........................................................................................................
49 Acknowledgments
........................................................................................................
49 References (Chapter 3)
................................................................................................
50 4\. DNA metabarcoding the 18S rRNA V4 region to investigate effects of
artificial light at night on stream periphyton
...........................................................................................52
4.1. Abstract
.................................................................................................................
52 4.2. Introduction
...........................................................................................................
53 4.3. Methods
................................................................................................................
55 4.4. Results
..................................................................................................................
58 4.5. Discussion
.............................................................................................................
63 4.6. Conclusions
...........................................................................................................
66 Acknowledgements
......................................................................................................
67 References (Chapter 4)
................................................................................................
68 5\. Light source matters: Nocturnal low-light LED illumination decreases
periphyton biomass, but high-pressure sodium does not
............................................................... 71 5.1.
Abstract
..................................................................................................................
71 5.2. Introduction
............................................................................................................
72 5.3. Methods
.................................................................................................................
74 5.4. Results
...................................................................................................................
78 5.5. Discussion
.............................................................................................................
83 5.6. Conclusions
...........................................................................................................
86 Acknowledgements
......................................................................................................
87 References (Chapter 5)
................................................................................................
88 6\. General discussion
...................................................................................................
93 6.1. Key research findings
............................................................................................
93 6.1.1. The role of season in the effects of ALAN on periphyton
................................... 98 6.1.2. The role of periphyton
developmental stage in the effects of ALAN ................... 99 6.1.3.
Choosing an appropriate method for assessment of effects of ALAN on periphyton
..............................................................................................................
99 6.2. Implications for ecosystem functions in illuminated ecosystems
..........................100 6.3. Implications for light pollution policy and
regulation ............................................. 102 6.4. Suggestions
for future research
...........................................................................
103 6.5. Conclusions
.........................................................................................................
104 References (General discussion)
...............................................................................
106 Appendix A: Supplementary material for Chapter 2
................................................... 110 Appendix B:
Supplementary material for Chapter 4
................................................... 114 Appendix C:
Supplementary material for Chapter 5
................................................... 117 Statement of academic
integrity
.................................................................................
129 Acknowledgements
.....................................................................................................
131
dc.description.abstract
In recent decades, the use of artificial nocturnal illumination has rapidly
increased worldwide, imposing an increase of nocturnal light levels and a
disruption of natural cycles of light and dark that have been stable over
geological and evolutionary time scales. This wide-spread alteration of the
natural light regime by artificial light at night (ALAN) is contributing to
global environmental change and raises concerns about the potentially adverse
effects on organisms and processes in illuminated ecosystems. Simultaneously,
a global shift in outdoor lighting technologies from yellow high-pressure
sodium (HPS) to white light-emitting diode (LED) light is taking place,
changing the spectral composition of nocturnal illumination. Mounting evidence
suggests that ALAN affects microorganisms, plants and animals in both aquatic
and terrestrial ecosystems. Light is a major source of energy and an important
environmental cue for primary producers that influences and to a large extent
drives their growth, production and community structure. Freshwaters are
increasingly illuminated at night, as they are often located near the human
population centers. Despite this, the impacts of artificial nocturnal
illumination in freshwater ecosystems are still largely unknown. In
particular, effects on aquatic primary producers in urban and sub-urban rivers
and streams have hardly been addressed. This thesis aimed to investigate
effects of artificial nocturnal illumination on biomass and community
composition of communities of benthic primary producers in freshwaters, the
periphyton. The presented work is based on manipulative field studies
performed in two contrasting freshwater systems whose periphyton communities
are characterized by different species. The first study was performed in a
stream-side flume system on a sub-alpine stream and the second in a lowland
agricultural ditch. I found that two to 13 weeks of exposure to LED light at
night decreased the biomass of periphyton in both aquatic systems. In stream
periphyton, the decrease in biomass was observed for periphyton in early
developmental stages (up to three weeks), but not that in the later
developmental stages (four to six weeks). The effects of LED on community
composition were found only in stream periphyton, where it increased the
proportion of the dominant autotroph group, the diatoms and decreased the
proportion of cyanobacteria in early developmental stages, but indicated a
decreased proportion of diatoms and an increased proportion of cyanobacteria
in the later developmental stages. I found that LED light at night altered
pigment composition and quantitative taxonomic composition in stream
periphyton in later developmental stages and that several diatom and
chrysophyte taxa, both autotrophic and heterotrophic, responded to ALAN by
increasing or decreasing in abundance in a taxon-specific manner. LED did not
affect periphyton community composition in lowland agricultural ditch, likely
because periphyton was composed of different species. All effects of LED light
were different between the seasons presumably due to seasonal differences in
community composition and environmental variables. I did not find any evidence
that HPS-light affects either biomass or community composition of periphyton.
Differential effects of the two light sources are likely a result of
differences in their spectral composition, in particular the high proportion
of blue light emitted by LED but not by HPS. This thesis provides, for the
first time, evidence that LED light at night can profoundly affect benthic
primary producers and periphyton communities in freshwater systems by reducing
their biomass and altering community composition. Systems dominated by
periphyton in its early developmental stages, such as streams prone to
physical disturbances, are likely to be more sensitive to ALAN compared to
systems with stable flow conditions based on the results presented. Periphyton
plays a fundamental role in productivity, nutrient and carbon cycling and food
supply for higher trophic levels in small, clear waters; its position in the
base of aquatic ecosystems suggests that the alterations induced by ALAN may
have important consequences for ecosystem functions. This should be considered
when developing lighting strategies for areas close to freshwaters in order to
mitigate potentially adverse effects of nocturnal artificial illumination on
aquatic ecosystems.
de
dc.description.abstract
In den vergangenen Jahrzehnten hat die Verwendung künstlicher Beleuchtung in
der Nacht weltweit rasant zugenommen. Diese Anhebung des natürlichen
nächtlichen Lichtniveaus stört Hell-/ Dunkel- Zyklen, welche bisher geologisch
wie evolutionäre stabil waren. Diese oft flächendeckenden Veränderungen des
natürlichen Lichtregimes durch künstliches Licht in der Nacht ist eine globale
Veränderung der Umweltbedingungen, welche Fragen aufwerfen über mögliche
negative Auswirkungen auf Organismen und Prozesse in beleuchteten Ökosystemen.
Außerdem verändert sich derzeit die spektrale Zusammensetzung der nächtlichen
Beleuchtung durch moderne Technologien von gelblich scheinenden Natrium-
Hochdruck-Lampen (HPS) hin zu weißen Leuchtdiode (LED). Mehr und mehr Studien
weisen nach, dass künstliche Beleuchtung in der Nacht Mikroorganismen,
Pflanzen und Tiere sowohl in terrestrischen als auch in aquatischen
Ökosystemen beeinflusst. Licht ist eine wichtige Energiequelle und ein Signal
für Primärproduzenten, es beeinflusst ihr Wachstum, ihre Reproduktion und ihre
Gemeinschaftsstruktur. Auch Binnengewässer werden nachts zunehmend beleuchtet,
da sie sich oft in unmittelbarer Nachbarschaft zu Wohnsiedlungen befinden.
Trotzdem sind die Auswirkungen durch künstliche Beleuchtung in der Nacht auf
Süßwasserökosysteme noch weitestgehend unbekannt. Insbesondere Auswirkungen
durch Beleuchtung in urbanen und peri-urbanen Flüssen auf aquatische
Primärproduzenten wurden bisher kaum beachtet. Diese Dissertation behandelt
die Auswirkungen durch künstliche Beleuchtung in der Nacht auf die Biomasse
und die gemeinschaftliche Zusammensetzung der Süßwassergemeinschaften
benthischer Primärproduzenten des Periphytons. Die manipulativen
Freilandexperimente wurden in zwei unterschiedlichen Süßwassersystemen
durchgeführt, welche sich durch unterschiedliche Periphytongemeinschaften
auszeichnen. Das erste Experiment wurde in einem Rinnensystem an einem
subalpinen Fluss durchgeführt, das zweite Experiment in einem
landwirtschaftlich genutzten Grünlandentwässerungssystem im Flachland. Ich
fand heraus, dass 2 - 13 Wochen Expositionszeit unter LED-Beleuchtung die
Biomasse der Primärproduzenten des Periphytons beider aquatischer Systeme
verringerte. Im Periphyton des subalpinen Flusses beobachtete ich Auswirkungen
auf die Biomasse des Periphytons in frühen Entwick-lungsstadien (bis zu drei
Wochen), aber nicht in den älteren Stadien (vier bis sechs Wochen). Diese
Auswirkungen der LED-Beleuchtung wurden nur für die Gemeinschaftszusammenset-
zung des Periphytons im Fluss nachgewiesen. Der Anteil der dominanten
Autotrophe, der Kieselalgen, wuchs in den ersten Entwicklungsstadien an und
der Anteil der Cyanobakterien nahm ab, in den späteren Stadien zeichnete sich
aber ein reduzierter Anteil an Kieselalgen ab und der Anteil der Grünalgen
nahm zu. Ich habe festgestellt, dass LED Beleuchtung die
Pigmentzusammensetzung und die quantitativen taxonomischen
Gemeinschaftsverhältnisse in älteren Entwicklungsstadien des Periphytons im
Fluss verändert und dass mehrere Kieselalgen und Chrysophyten Taxa, sowohl
autotrophe wie auch heterotrophe, empfindlich auf künstliches Licht reagieren,
indem sie taxon-spezifisch entweder zu- oder abnehmen. Die LED-Beleuchtung
zeigte keinen Einfluss auf die Periphyton-Gemeinschaft des Grünlandgrabens,
wahrscheinlich wegen der unterschiedlichen Artengemeinschaft. Alle Effekte
waren stark saisonabhängig, vermutlich wegen der saisonalen
Gemeinschaftszusammensetzungen und der Umweltvariablen. Ich habe keine
Nachweise dafür gefunden, dass HPS-Licht die Biomasse oder die
Gemeinschaftszusammensetzung des Periphyton beeinflusst. Die abweichenden
Ergebnisse der beiden Lichttechnologien sind wahrscheinlich der
unterschiedlichen spektralen Zusammensetzung geschuldet, insbesondere dem hohe
Blaulichtanteil der LED-Beleuchtung, welcher von HPS-Lampen nicht ausgestrahlt
wird. Die vorliegende Studie führt das erste Mal den nachweis, dass LED-
Beleuchtung die benthischen Primärproduzenten und Periphytongemeinschaften in
Süßwassersystemen beeinflussen kann, indem die Biomasse abnimmt und die
Gemeinschaftsstrukturen verändert werden. Systeme, die von frühen Periphyton
Entwicklungsstadien dominiert werden, wie solche, die oft gestört physisch
werden, reagieren wahrscheinlich empfindlicher auf künstliches Licht in der
Nacht als stabile Systeme, basierend auf den hier dargestellten Ergebnissen.
Periphyton spielt eine wesentliche Rolle bei der Produktivität von Nähr- und
Kohlenstoffzyklen und damit für die Nahrungsmittelversorgung höherer
Trophieebenen in kleinen, klaren Gewässern. Wegen der Stellung des Periphytons
an der Basis der aquatischen Ökosysteme kann davon ausgegangen werden, dass
durch künstliches Licht in der Nacht hervorgerufene Veränderungen wichtige
Konsequenzen für Ökosystemfunktionen haben. Diese Ergebnisse sollten bei der
Planung von Beleuchtung in gewässernahen Gebieten berücksichtigt werden, um
mögliche nachteilige Auswirkungen durch Beleuchtung auf aquatische Ökosysteme
zu vermeiden.
de
dc.format.extent
XVI, 132 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
artificial light at night
dc.subject
DNA metabarcoding
dc.subject
BenthoTorch, aquatic stressor
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::577 Ökologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::579 Mikroorganismen, Pilze, Algen
dc.title
Effects of artificial light at night on benthic primary producers in
freshwaters
dc.contributor.contact
majagrubisic.bg@gmail.com
dc.contributor.firstReferee
PD Dr. Franz Hölker
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Klement Tockner
dc.date.accepted
2017-06-16
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000105039-1
dc.title.translated
Die Auswirkungen durch künstliche Beleuchtung in der Nacht auf
Süßwassergemeinschaften benthischer Primärproduzenten
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000105039
refubium.note.author
Instead of my birthplace and country of birth, please use "From Belgrade,
Serbia", as it adequately describes my origin and nationality
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000021781
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access