Life at low food
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2008Type
- Doctoral Thesis
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Abstract
The fish yield of Lake Brienz, Switzerland, has decreased substantially in the last 30 years. It collapsed in the year 1999, concurrently with a prolonged spring flood and the disappearance of the Daphnia population (water fleas, the main food source of the predominant whitefish). Due to these events, the Lake Brienz Project was initiated to investigate the ecological impacts of anthropogenic changes on this ultra-oligotrophic and turbid lake. The interdisciplinary project focused on the effects of oligotrophication and hydropower operation. The main goals of our study were to investigate: a) the ecology and population dynamics of Daphnia, with special attention to the effects of low food levels and high inorganic particle concentrations; b) the causes of the general decline in the Daphnia population over the last decades; and c) the reasons for the population collapse in 1999. We also examined how the Daphnia population survives the bottleneck of winter, and if the taxonomic composition of the population changed in the course of eutrophication and subsequent oligotrophication in the 20th century. To put our results into perspective, we included more productive lakes in some of the analyses (Lake Thun, Lake Constance and Greifensee). In the first part of this thesis (Chapter 2), we performed an experiment to test if suspended glacial particles have a negative effect on the fitness of Daphnia, especially when simultaneously exposed to low food conditions. We found that the concentrations of suspended particles present in the lake do not reduce the fitness of the filter feeders, even during a flood. We could therefore exclude suspended particles as an important factor in the population collapse of spring 1999. However, we showed that the harsh winter and prolonged spring flooding were most likely responsible for the disappearance of the Daphnia population (Chapter 3). According to our model calculations, the spring growth of the Daphnia population, limited by poor food conditions and reduced by extraordinarily low water temperatures, could not compensate for the losses due to washout. By analyzing the ephippia abundance in the sediment, we showed that there was no permanent Daphnia population present in Lake Brienz before the start of eutrophication in the 1950s (Chapters 3 and 5). To test if Daphnia can survive a harsh winter in an ultra-oligotrophic lake in the water column, and to see if clones from Lake Brienz are adapted to local conditions, we exposed clones from three lakes with contrasting trophic states (Lake Brienz, Lake Constance and Greifensee) to realistic winter conditions of low food concentration and low temperature (Chapter 4). We found that Daphnia generally can withstand starvation for several weeks, and that it is not the taxon, but the origin of the clones which determines the resistance to starvation. Finally we could show that the trophic state of a lake not only determines the persistence of a population, but also its taxonomic composition (Chapter 5). In contrast to Lake Brienz, D. galeata was able to establish itself in more productive Lake Thun during eutrophication. The novel species hybridized with the native D. hyalina population and disappeared again. The hybrids are still frequently found in the pelagic population. In conclusion, anthropogenic changes like eutrophication and oligotrophication, even if low in magnitude as in Lake Brienz, can have major impacts on a Daphnia population. Eutrophication in the 20th century not only resulted in a permanent Daphnia population in Lake Brienz, it also provided the basis for the establishment of D. galeata in Lake Thun. The re-oligotrophication of Lake Brienz has not only drastically reduced the size of the Daphnia population (with the consequent effect of low fish yield), but has also made the population more susceptible to external factors like an intensive flood. An ongoing oligotrophication of Lake Brienz will most likely threaten the persistence of this key species of the aquatic food web. Der Fischertrag des Brienzersees (Schweiz) hat in den letzten 30 Jahren stark abgenommen. Zeitgleich mit einem langen Frühjahrshochwasser und dem Verschwinden der Daphnien (Daphnia, Wasserflöhe), der wichtigsten Futterquelle der Felchen, brach der Ertrag 1999 fast vollständig ein. Wegen dieser Ereignisse wurde das Brienzersee-Projekt initiiert. Das interdisziplinäre Projekt sollte die ökologischen Folgen anthropogener Veränderungen auf den ultra-oligotrophen und trüben Brienzersee untersuchen, wobei die Schwerpunkte in der Oligtrophierung und Wasserkraftnutzung lagen. Die Hauptziele unserer Studie waren: a) Untersuchung der Ökologie und Populationsdynamik der Daphnien unter besonderer Berücksichtigung der tiefen Futter- und hohen anorganischen Schwebstoffkonzentrationen; b) Analyse der Gründe für den generellen Rückgang der Daphnienpopulation; sowie c) Erforschung der Ursachen für den Zusammenbruch der Daphnienpopulation im Jahre 1999. Des Weiteren sollte analysiert werden, ob und wie die Daphnienpopulation den Winter überlebt, und inwieweit sich die Artenzusammensetzung im Zuge der Eutrophierung und Re-oligotrophierung im 20. Jahrhundert verändert hat. Um unsere Resultate in Bezug zu setzen, haben wir auch die Populationen von produktiveren Seen (Thunersee, Bodensee, Greifensee) in einige Analysen miteinbezogen. Im ersten Teil dieser Dissertation (Kapitel 2) sollte untersucht werden, ob Schwebstoffe (Gletscherwasser) die Fitness von Daphnien reduzieren, insbesondere in Kombination mit tiefen Nahrungskonzentrationen. Unser Experiment zeigte, dass die im Brienzersee vorhandenen Schwebstoffkonzentrationen keinen negativen Einfluss auf die Daphnien haben, auch nicht während eines Hochwassers. Daher konnten die Schwebstoffe als Grund für den Populationszusammenbruch im Frühling 1999 ausgeschlossen werden. Es zeigte sich aber, dass der intensive Winter und das Hochwasser mit grosser Wahrscheinlichkeit trotzdem für das Verschwinden der Daphnien verantwortlich waren (Kapitel 3). Gemäss unserer Modellrechnungen konnte das Wachstum der Daphnien im Frühling jene Verluste, welche infolge des starken Abflusses entstanden, nicht kompensieren, da es sowohl durch schlechteNahrungsbedingungen limitiert, als auch durch ausserordentlich tiefe Wassertemperaturen reduziert war. Analysen der Ephippiendichte im Sediment zeigten zudem, dass es im Brienzersee vor dem Beginn der Eutrophierung in den 1950'er Jahren keine ständige Daphnienpopulation gab (Kapitel 3 und 5). Ob Daphnien den harten Winter in ultra-oligotrophen Seen als frei schwimmende Klone überleben können, und inwiefern sich Klone des Brienzersees den lokalen Verhältnissen angepasst haben, sollte in einem weiteren Experiment getestet werden (Kapitel 4). Zu diesem Zweck simulierten wir realistische Winterbedingungen mit tiefer Temperatur und niedrigen Nahrungskonzentrationen, und analysierten das Überleben von Daphnien aus Seen mit unterschiedlicher Trophie (Brienzersee, Bodensee, Greifensee). Wir konnten zeigen, dass Daphnien für mehrere Wochen hungern können. Während das Taxon der Klone keinen Einfluss auf das Überleben hatte, war die Herkunft der Klone hingegen entscheidend. Schliesslich konnten wir zeigen, dass die Trophie des Sees nicht nur bestimmt, ob sich Daphnien etablieren können, sondern auch die Taxonzusammensetzung beeinflusst (Kapitel 5). Im Gegensatz zum Brienzersee konnte sich D. galeata im leicht produktiveren Thunersee während der Eutrophierungsphase behaupten. Diese invasive Art hybridisierte mit der heimischen D. hyalina Population und verschwand später wieder. Die Hybriden hingegen kommen im Thunersee noch heute häufig vor. Fazit: Anthropogene Veränderungen, wenn auch nur schwach ausgeprägt wie im Falle des Brienzersees, können Folgen für die Daphnienpopulation haben. Die Eutrophierung im 20. Jahrhundert bildete nicht nur die Grundlage für eine Daphnienpopulation im Brienzersee, sondern war auch die Basis für die Etablierung von D. galeata im Thunersee. Die Re-oligotrophierung des Brienzersees reduzierte nicht nur die Daphnienpopulation (und damit den Fischertrag), sondern machte die Population auch anfälliger für externe Faktoren wie ein starkes Hochwasser. Eine anhaltende Oligotrophierung würde die Existenz der Daphnien, einer Schlüsselart des aquatischen Nahrungsnetzes, gefährden. Show more
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https://doi.org/10.3929/ethz-a-005555288Publication status
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ETHSubject
NAHRUNGSKETTE, NAHRUNGSNETZ, NAHRUNGSGEFÜGE, NÄHRSTOFFKREISLAUF (HYDROBIOLOGIE); DAPHNIIDAE (ZOOLOGIE); FOOD CHAINS, FOOD WEBS, NUTRIENT CYCLES (HYDROBIOLOGY); DYNAMICS OF MATTER, BALANCE OF MATTER (ECOLOGY); POPULATION BIOLOGY + POPULATION ECOLOGY (ANIMALS); OLIGOTROPHE SEEN (HYDROLOGIE); OLIGOTROPHIC LAKES (HYDROLOGY); STOFFHAUSHALT (ÖKOLOGIE); DAPHNIIDAE (ZOOLOGY); BRIENZER SEE (KANTON BERN); LAKE BRIENZ (CANTON OF BERNE); POPULATIONSBIOLOGIE + POPULATIONSÖKOLOGIE (TIERE)Organisational unit
03705 - Jokela, Jukka / Jokela, Jukka
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