Measurement of pH: comparing methods across the Kuroshio Extension

Senior thesis written for Oceanography 445

Altered neurotransmitter function in CO2-exposed stickleback (Gasterosteus aculeatus): a temperate model species for ocean acidification research

Studies on the consequences of ocean acidification for the marine ecosystem have revealed behavioural changes in coral reef fishes exposed to sustained near-future CO2 levels. The changes have been linked to altered function of GABAergic neurotransmitter systems, because the behavioural alterations can be reversed rapidly by treatment with the GABAA receptor antagonist gabazine. Characterization of the molecular mechanisms involved would be greatly aided if these can be examined in a well-characterized model organism with a sequenced genome. It was recently shown that CO2-induced behavioural alterations are not confined to tropical species, but also affect the three-spined stickleback, although an involvement of the GABAA receptor was not examined. Here, we show that loss of lateralization in the stickleback can be restored rapidly and completely by gabazine treatment. This points towards a worrying universality of disturbed GABAA function after high-CO2 exposure in fishes from tropical to temperate marine habitats. Importantly, the stickleback is a model species with a sequenced and annotated genome, which greatly facilitates future studies on underlying molecular mechanisms.

Experiment: Marine fungi may benefit from ocean acidification

Recent studies have discussed the consequences of ocean acidification for bacterial processes and diversity. However, the decomposition of complex substrates in marine environments, a key part of the flow of energy in ecosystems, is largely mediated by marine fungi. Although marine fungi have frequently been reported to prefer low pH levels, this group has been neglected in ocean acidification research. We present the first investigation of direct pH effects on marine fungal abundance and community structure. In microcosm experiments repeated in 2 consecutive years, we incubated natural North Sea water for 4 wk at in situ seawater pH (8.10 and 8.26), pH 7.82 and pH 7.67. Fungal abundance was determined by colony forming unit (cfu) counts, and fungal community structure was investigated by the culture-independent fingerprint method Fungal Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analysis (F-ARISA). Furthermore, pH at the study site was determined over a yearly cycle. Fungal cfu were on average 9 times higher at pH 7.82 and 34 times higher at pH 7.67 compared to in situ seawater pH, and we observed fungal community shifts predominantly at pH 7.67. Currently, surface seawater pH at Helgoland Roads remains >8.0 throughout the year; thus we cannot exclude that fungal responses may differ in regions regularly experiencing lower pH values. However, our results suggest that under realistic levels of ocean acidification, marine fungi will reach greater importance in marine biogeochemical cycles. The rise of this group of organisms will affect a variety of biotic interactions in the sea.

The influence of ocean acidification on nitrogen regeneration and nitrous oxide production in the northwest European shelf sea

The assimilation and regeneration of dissolved inorganic nitrogen, and the concentration of N2O, was investigated at stations located in the NW European shelf sea during June/July 2011. These observational measurements within the photic zone demonstrated the simultaneous regeneration and assimilation of NH4+, NO2- and NO3-. NH4+ was assimilated at 1.82-49.12 nmol N/L/h and regenerated at 3.46-14.60 nmol N/L/h; NO2- was assimilated at 0-2.08 nmol N/L/h and regenerated at 0.01-1.85 nmol N/L/h; NO3-was assimilated at 0.67-18.75 nmol N/L/h and regenerated at 0.05-28.97 nmol N/L/h. Observations implied that these processes were closely coupled at the regional scale and that nitrogen recycling played an important role in sustaining phytoplankton growth during the summer. The [N2O], measured in water column profiles, was 10.13 ± 1.11 nmol/L and did not strongly diverge from atmospheric equilibrium indicating that sampled marine regions were neither a strong source nor sink of N2O to the atmosphere. Multivariate analysis of data describing water column biogeochemistry and its links to N-cycling activity failed to explain the observed variance in rates of N-regeneration and N-assimilation, possibly due to the limited number of process rate observations. In the surface waters of five further stations, ocean acidification (OA) bioassay experiments were conducted to investigate the response of NH4+ oxidising and regenerating organisms to simulated OA conditions, including the implications for [N2O]. Multivariate analysis was undertaken which considered the complete bioassay data set of measured variables describing changes in N-regeneration rate, [N2O] and the biogeochemical composition of seawater. While anticipating biogeochemical differences between locations, we aimed to test the hypothesis that the underlying mechanism through which pelagic N-regeneration responded to simulated OA conditions was independent of location. Our objective was to develop a mechanistic understanding of how NH4+ regeneration, NH4+ oxidation and N2O production responded to OA. Results indicated that N-regeneration process responses to OA treatments were location specific; no mechanistic understanding of how N-regeneration processes respond to OA in the surface ocean of the NW European shelf sea could be developed.

Short-term metabolic and growth responses of the cold-water coral lophelia pertusa to ocean acidification

Cold-water corals are amongst the most three-dimensionally complex deep-sea habitats known and are associated with high local biodiversity. Despite their importance as ecosystem engineers, little is known about how these organisms will respond to projected ocean acidification. Since preindustrial times, average ocean pH has already decreased from 8.2 to ~ 8.1. Predicted CO2 emissions will decrease this by up to another 0.3 pH units by the end of the century. This decrease in pH may have a wide range of impacts upon marine life, and in particular upon calcifiers such as cold-water corals. Lophelia pertusa is the most widespread cold-water coral (CWC) species, frequently found in the North Atlantic. Data here relate to a short term data set (21 days) on metabolism and net calcification rates of freshly collected L. pertusa from Mingulay Reef Complex, Scotland. These data from freshly collected L. pertusa from the Mingulay Reef Complex will help define the impact of ocean acidification upon the growth, physiology and structural integrity of this key reef framework forming species.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

IMBER mini-Symposium with Spanish oceanographers

Celebrado en la Sala de Grado de la Facultad de Ciencias del Mar (ULPGC) el 18 de junio de 2013

(Supporting Information) Collection date and location of the analysed herbarium Corallina officinalis samples of the Natural History Museum (BM)

Suporting Information 1; Herbarium Corallina officinalis samples of the Natural History Museum (BM) analysed for the present study. Where the same NHM barcodes are provided for more than one sample, multiple samples were present under the same barcode in the herbarium. (-) indicates samples were not barcoded in the NHM (BM) system.

Consistent increase in dimethyl sulfide (DMS) in response to high CO2 in five shipboard bioassays from contrasting NW European waters

The ubiquitous marine trace gas dimethyl sulfide (DMS) comprises the greatest natural source of sulfur to the atmosphere and is a key player in atmospheric chemistry and climate. We explore the short-term response of DMS production and cycling and that of its algal precursor dimethyl sulfoniopropionate (DMSP) to elevated carbon dioxide (CO2) and ocean acidification (OA) in five 96 h shipboard bioassay experiments. Experiments were performed in June and July 2011, using water collected from contrasting sites in NW European waters (Outer Hebrides, Irish Sea, Bay of Biscay, North Sea). Concentrations of DMS and DMSP, alongside rates of DMSP synthesis and DMS production and consumption, were determined during all experiments for ambient CO2 and three high-CO2 treatments (550, 750, 1000 µatm). In general, the response to OA throughout this region showed little variation, despite encompassing a range of biological and biogeochemical conditions. We observed consistent and marked increases in DMS concentrations relative to ambient controls (110% (28-223%) at 550 µatm, 153% (56-295%) at 750 µatm and 225% (79-413%) at 1000 µatm), and decreases in DMSP concentrations (28% (18-40%) at 550 µatm, 44% (18-64%) at 750 µatm and 52% (24-72%) at 1000 µatm). Significant decreases in DMSP synthesis rate constants (µDMSP /d) and DMSP production rates (nmol/d) were observed in two experiments (7-90% decrease), whilst the response under high CO2 from the remaining experiments was generally indistinguishable from ambient controls. Rates of bacterial DMS gross consumption and production gave weak and inconsistent responses to high CO2. The variables and rates we report increase our understanding of the processes behind the response to OA. This could provide the opportunity to improve upon mesocosm-derived empirical modelling relationships and to move towards a mechanistic approach for predicting future DMS concentrations.

Over-determined charbonate chemstry dataset from different kinds of manipulation (TA, DIC) and water types (natural and artificial seawater)

The growing field of ocean acidification research is concerned with the investigation of organism responses to increasing pCO2 values. One important approach in this context is culture work using seawater with adjusted CO2 levels. As aqueous pCO2 is difficult to measure directly in small-scale experiments, it is generally calculated from two other measured parameters of the carbonate system (often AT, CT or pH). Unfortunately, the overall uncertainties of measured and subsequently calculated values are often unknown. Especially under high pCO2, this can become a severe problem with respect to the interpretation of physiological and ecological data. In the few datasets from ocean acidification research where all three of these parameters were measured, pCO2 values calculated from AT and CT are typically about 30% lower (i.e. ~300 µatm at a target pCO2 of 1000 µatm) than those calculated from AT and pH or CT and pH. This study presents and discusses these discrepancies as well as likely consequences for the ocean acidification community. Until this problem is solved, one has to consider that calculated parameters of the carbonate system (e.g. pCO2, calcite saturation state) may not be comparable between studies, and that this may have important implications for the interpretation of CO2 perturbation experiments.

Seawater carbonate chemistry and calcification rate of cold-water coral Lophelia pertusa during experiments, 2011

Ocean acidity has increased by 30% since preindustrial times due to the uptake of anthropogenic CO2 and is projected to rise by another 120% before 2100 if CO2 emissions continue at current rates. Ocean acidification is expected to have wide-ranging impacts on marine life, including reduced growth and net erosion of coral reefs. Our present understanding of the impacts of ocean acidification on marine life, however, relies heavily on results from short-term CO2 perturbation studies. Here we present results from the first long-term CO2 perturbation study on the dominant reef-building cold-water coral Lophelia pertusa and relate them to results from a short-term study to compare the effect of exposure time on the coral's responses. Short-term (one week) high CO2 exposure resulted in a decline of calcification by 26-29% for a pH decrease of 0.1 units and net dissolution of calcium carbonate. In contrast, L. pertusa was capable to acclimate to acidified conditions in long-term (six months) incubations, leading to even slightly enhanced rates of calcification. Net growth is sustained even in waters sub-saturated with respect to aragonite. Acclimation to seawater acidification did not cause a measurable increase in metabolic rates. This is the first evidence of successful acclimation in a coral species to ocean acidification, emphasizing the general need for long-term incubations in ocean acidification research. To conclude on the sensitivity of cold-water coral reefs to future ocean acidification further ecophysiological studies are necessary which should also encompass the role of food availability and rising temperatures.

Phytoplankton responses and associated carbon cycling during shipboard carbonate chemistry manipulation experiments conducted around Northwest European shelf seas

The ongoing oceanic uptake of anthropogenic carbon dioxide (CO2) is significantly altering the carbonate chemistry of seawater, a phenomenon referred to as ocean acidification. Experimental manipulations have been increasingly used to gauge how continued ocean acidification will potentially impact marine ecosystems and their associated biogeochemical cycles in the future; however, results amongst studies, particularly when performed on natural communities, are highly variable, which may reflect community/environment-specific responses or inconsistencies in experimental approach. To investigate the potential for identification of more generic responses and greater experimentally reproducibility, we devised and implemented a series (n = 8) of short-term (2-4 days) multi-level (>=4 conditions) carbonate chemistry/nutrient manipulation experiments on a range of natural microbial communities sampled in Northwest European shelf seas. Carbonate chemistry manipulations and resulting biological responses were found to be highly reproducible within individual experiments and to a lesser extent between geographically separated experiments. Statistically robust reproducible physiological responses of phytoplankton to increasing pCO2, characterised by a suppression of net growth for small-sized cells (<10 µm), were observed in the majority of the experiments, irrespective of natural or manipulated nutrient status. Remaining between-experiment variability was potentially linked to initial community structure and/or other site-specific environmental factors. Analysis of carbon cycling within the experiments revealed the expected increased sensitivity of carbonate chemistry to biological processes at higher pCO2 and hence lower buffer capacity. The results thus emphasise how biogeochemical feedbacks may be altered in the future ocean.

Effects of high temperature and CO2 on intracellular DMSP in the cold-water coral Lophelia pertusa

Significant warming and acidification of the oceans is projected to occur by the end of the century. CO2 vents, areas of upwelling and downwelling, and potential leaks from carbon capture and storage facilities may also cause localised environmental changes, enhancing or depressing the effect of global climate change. Cold-water coral ecosystems are threatened by future changes in carbonate chemistry, yet our knowledge of the response of these corals to high temperature and high CO2 conditions is limited. Dimethylsulphoniopropionate (DMSP), and its breakdown product dimethylsulphide (DMS), are putative antioxidants that may be accumulated by invertebrates via their food or symbionts, although recent research suggests that some invertebrates may also be able to synthesise DMSP. This study provides the first information on the impact of high temperature (12 °C) and high CO2 (817 ppm) on intracellular DMSP in the cold-water coral Lophelia pertusa from the Mingulay Reef Complex, Scotland (56°49' N, 07°23' W), where in situ environmental conditions are meditated by tidally induced downwellings. An increase in intracellular DMSP under high CO2 conditions was observed, whilst water column particulate DMS + DMSP was reduced. In both high temperature treatments, intracellular DMSP was similar to the control treatment, whilst dissolved DMSP + DMS was not significantly different between any of the treatments. These results suggest that L. pertusa accumulates DMSP from the surrounding water column; uptake may be up-regulated under high CO2 conditions, but mediated by high temperature. These results provide new insight into the biotic control of deep-sea biogeochemistry and may impact our understanding of the global sulphur cycle, and the survival of cold-water corals under projected global change.