Dr. Nicola Wannicke

Projekte

Bioacid II: Biological impacts of ocean acidification (phase II)
Unterprojekt 1.4: Diazotrophe Stickstofffixierung und Turn- Over des Stickstoff in einer Planktongemeinschaft

(2012-2015)

Dieses Projekt ist ein Folgeprojekt des BMBF geförderten Projektes BIOACID I (1.2.2). Die Aufnahme von Stickstoff unter verschiedenen pCO₂ Bedingungen stand im Fokus der ersten Phase. Im Besonderen, der Einfluss des pCO₂ auf Wachstum, Produktion und Stöchiometrie der Biomasse wurden untersucht. Es zeigte sich eine signifikanter stimulierender Effekt des pCO₂ auf Nodularia spumigena in Laborkulturen, jedoch kein signifikanter Effekt auf Freilandkulturen.

Ziel des BIOACID II Projektes ist es, die Arbeiten der ersten Projektphase zu vervollständigen und zu erweitern. Die Aufnahme von Stickstoffverbindungen durch Primärproduzenten (vor allem Stickstoff fixierender Cyanobakterien) und auch die Abgabe dieser Verbindungen soll in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umweltbedingungen, vor allem des CO2 Partialdruckes untersucht werden. Die Bestimmung der Aufnahme durch die gesamte Planktongesellschaft soll mit Hilfe stabiler Isotope und der Messung am Massenspektrometer erfolgen. Verschiedene Stickstoffverbindungen, ¹⁵N₂ Gas, ¹⁵N-Aminosäuren) n sollen genutzt werden, um viele Aspekte des Stickstoff Kreislaufes abzudecken. Die zellspezifische Aufnahme sollen durch die Messung am NanoSIMS des IOWs ermittelt werden. Hierbei kann aufgeklärt werden, ob es einige Genotypen gibt, die effizienter reagieren. Zusätzlich soll der zeitabhängige Transfer des Stickstoffs zur bakteriellen Fraktion untersucht werden. Ein weiterer Parameter, der im BIOACID Projekt I noch nicht untersucht wurde, ist die Toxinproduktion durch Cyanobakterien. Mittels HPLC und ELISA sollen die Gehalte an Nodularin und Microcystin bestimmt werden und überprüft werden, ob sich hier ein Zusammenhang zum pCO₂ ergibt.
Dieses Unterprojekt wird sich an zwei größeren Mesokosmos Experimenten des gesamten Konsortiums 1 beteiligen (Pelagische Ökosysteme unter Ozenaversauerung, ökologische, biogeochmeische und evolutionäre Aspekte). KOSMOS I (Kiel Offshore Mesocosms for Future Ocean Simulation) wird 2012 im Gullmar Fjord in der Nähe von Kristineberg, Sweden stattfinden, KOSMOS II 2014 vor Gran Canaria.

Folgende Hypothesen sollen überprüft werden:

• Gilt die Theorie der Herunterregulation der CCMs (Kohlenstoff Konzentrations Mechanismen) und erklärt sie eventuell erhöhte Primärproduktions und Stickstofffixierungsraten ?
• Ist die Rate des Stickstoff Turn-Overs, sowie die Stöchiometrie der neu gebildeten Biomasse abhängig vom pCO₂ ?
• Können Abhängigkeiten zwischen Umweltbedingungen und der Toxizität der Cyanobakterien gefunden werden ?
• Reagiert die Cyanobakteriengemeinschaft der Ostsee sensitiv auf Ozeanversauerung ?

Biological Impact of Ocean Acidification (BIOACID)

Teilprojekt 1.2 Umsatz organischen Materials

(2009-2012)

Zahlen und Fakten

BIOACID beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Ozeanversauerung auf Lebensgemeinschaften im Meer, genauer mit den Effekten der Ozeanversauerung auf die Kalkbildung, das Wachstum und die Entwicklung von Meeresorganismen. An dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die nächsten drei Jahre mit 8,5 Millionen Euro finanzierten Projekt sind insgesamt 14 Forschungsinstitute und Universitäten aus ganz Deutschland beteiligt. Die Projektleitung der 5 Teilprojekte liegt beim Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) in Kiel. Am Institut für Ostseeforschung sind im Rahmen dieses Projektes 3 Doktoranden und ein PostDoc angestellt. Im Zuge dieses Projektes soll ein Richtwert für politische Entscheidungsträger ermittelt werden, unter welchen die Ozeanversauerung nicht sinken sollte.

Hintergrund

Seit dem Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO₂ Partialdruck in der Atmosphäre von 280 ppm auf 380 ppm (211%). Jährlich wird ungefähr ein Drittel dieses, aus der Verbrennung fossiler Energieträger freiwerdenden, Kohlendioxids (CO₂) in den Weltmeeren gelöst. Infolgedessen bildet sich Kohlensäure und die Konzentration von Karbonaten nimmt ab. Der pH-Wert verschiebt sich in den sauren Bereich. Dies ist auch schon messbar. Seit 1980 sank der pH Wert um 0.06 Einheiten und Zukunftsprognosen gehen von einer weiteren Senkung um 0.4 das bedeutet eine pH Wert Verschiebung von heute 8.14 auf 7.7 (oder Senkung um 6%), wenn der Status quo beibehalten bleibt (Bild 1).

Diese Zahl klingt zunächst nicht weiter dramatisch, wenn man bedenkt, dass die Organismen an bestimmte pH Werte angepasst sind und nur bis zu einem bestimmten pH Wert vorkommen. Besonders alarmierend ist, dass sich vor allem Organismen mit Kalkskeletten oder Schalen im wahrsten Sinne des Wortes auflösen, da sie ihr Skelett auf Grund der Wasserchemie nicht mehr aufbauen können. Der Rückgang der tropischen Korallen ist schon deutlich sichtbar. Die Ozeanversauerung führt im groben gesehen zu einer Art Domino Effekt. Kalkbildner gehen zurück. Kleine Primärproduzenten werden gefördert, die organische Produktion ändert sich qualitativ und quantitativ. Das geht einher mit einer Verschiebung der Biodiversität. Diese Änderungen auf der Basis der Nahrungskette setzen sich im Nahrungsnetz fort, von den Bakterien bis hin zu höheren Ebeneren.
Das höhere Angebot an Kohlenstoff beeinflusst wiederum die Produktivität der Primärproduzenten, die in den Sommermonaten vor allem von Stickstoff (N2) fixierenden Cyanobakterien dominiert werden, was sich als Konsequenz auf die anderen trophischen Ebenen auswirkt. Dieses Zusammenspiel aus Ozeanversauerung, Kohlenstoffangebot, Primärproduktion, N₂ - Fixierung, und Kopplung der einzelnen trophischen Ebenen soll in Mikrokosmen und Mesokosmen Versuchen im Teilprojekt 1.2 untersucht werden. Die übergeordnete Fragestellung ist: Welche Konsequenzen hat die Ozeanversauerung auf die Produktivität der einzelnen Ebenen (Primärproduzenten, Bakterien), den Umsatz und Abbau organischen Materials? Als Hypothese wird prognostiziert, dass die Primärproduktion und N₂ - Fixierung durch Cyanobakterien unter erhöhten CO₂ Partialdrücken steigen. Dies verändert die C:N:P Stöchiometrie der Algen zum Einen und deren Exsudate (organisches Material, DOM und TEP) zum anderen. Diese Quantitativen und Qualitativen Unterscheide wirken sich wiederum auf den bakteriellen Abbau organischen Materials aus, was mit einer Verschiebung der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft einhergeht (Bild 2).

Experimente der Projektphase BIOACID I waren eng zwischen den Unterprojekten 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3 und 1.2.4 vernetzt, um den Turn-Over der organischen Materie abzudecken. Folgende Studien wurden durchgeführt:

a) Batch Experiment im Labor
Im Frühjahr 2010 (März-Mai) fand ein Batch Experiment im Labor in Zusammenarbeit der Unterprojekte 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3 und 1.2.4. statt. Dieses zweigeteilte Experiment untersuchte im ersten Teil den Einfluss dreier pCO₂ Konzentrationen (gering ~300 µatm, mittel ~400 µatm, hoch ~600 µatm) auf das Wachstum, die Produktion sowie den C,N und P Turn Over in einer Nodularia spumigena Kultur. Im zweiten Teil wurde eine Bakteriengemeinschaft der Ostsee zu dem Filtrat der Nodularia Kultur gegeben und ebenfalls bei den drei pCO₂ Stufen inkubiert. Die Ergebnisse zeigten eine Stimulierung der Nodularia Kultur unter hohem CO₂ (Wannicke et al 2012). Die Bakteriengemeinschaft zeigte keine signifikante Abhängigkeit bezüglich des Wachstums und der Produktion, jedoch geringere Respirationsraten unter hohem pCO₂.
b) Chemostat Experiment im Labor
In einem dreigeteilten Chemostat- Batch Versuch im Herbst 2010 (Oktober-Dezember) wurde, erneut unter der Teilnahme der 4 Unterprojekte, die Abhängigkeit des Wachstums und der Produktion einer Diatomeenkultur (Thalassiosira weissflogii) vom pCO₂ untersucht (180 µatm, 380 µatm und 780 µatm). Im dritten Teil des Experimentes, anschließend an den Chemostat und Batch Teil, wurden Bakterien der Nordsee im Filtrat der Diatomee inkubiert, unter drei verschiedenen pCO₂ Bedingungen. Thalassiosira zeigte ein Wachtumsoptimum bei 380 µatm. Bakterien, die direkt mit der Diatomeenkultur assoziiert waren, zeigten im Ansatz der höchsten Primärproduktion auch die höchsten Produktionsraten. Keinen signifikanten Trend zeigten die Bakterien im Filtrat der Diatomeen.

c) Mesokosmos Experiment
Während der Ausfahrt mit dem FS Elisabeth Mann Borgese im Sommer 2011 wurden 4 Mesokosmen mit jeweils 900 L Ostseewasser gefüllt. Anschließend wurden Mesokosmen mit Hilfe von Natriumbicarbonat und Salzsäure auf vier unterschiedliche pCO₂ Stufen angesäuert (180 µatm-unverändert, 380 µatm, 780 µatm und 980 µatm). Anschließend wurde das Wachstum und die Produktion der Planktongemeinschaft in den 4 Mesokosmen untersucht. Ein Teil dieses Experimentes wurde von Jenny Fabian im Rahmen ihrer Diplomarbeit ausgewertet.

d) Ausfahrt mit dem FS Elisabeth Mann Borgese
Während der oben erwähnten Ausfahrt (Sommer 2011) wurde die Produktion einer natürlichen Cyanobakteriengemeinschaft der Ostsee entlang eines Nord-Süd Gradienten bestimmt.

Zwei Studentinnen schlossen ihre Arbeit erfolgreich im Rahmen des BIOACID I Projektes ab:

• Jenny Fabian beendete ihre Diplom-Arbeit im Mai 2012 mit dem Titel: Wachstum und Produktion einer Cyanobakterienblüte der Ostsee in Abhängigkeit von der CO2- Konzentration.

• Stefanie Linsenbarth reichte ihre Bachelor-Arbeit im Juli 2012 ein mit dem Titel: Zum Einfluss der Ozeanversauerung auf das Wachstum und die Toxizität von Cyanobakterien.

Publikationen

• Wannicke N., Korth F., Liskow I., Voss M. (2013) Incorporation of diazotrophic fixed N₂ by mesozooplankton — Case studies in the southern Baltic Sea. Journal of Marine Systems, Volumes 117–118, Pages 1–13. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmarsys.2013.03.005
• Wannicke, N., Endres, S., Engel, A., Grossart, H.-P., Nausch, M., Unger, J., and Voss, M.: Response of Nodularia spumigena to pCO₂ – Part 1: Growth, production and nitrogen cycling, Biogeosciences, 9, 2973-2988, doi:10.5194/bg-9-2973-2012, 2012.
• Endres, S., Unger, J., Wannicke, N., Nausch, M., Voss, M., and Engel, A.: Response of Nodularia spumigena to pCO₂ – Part 2: Exudation and extracellular enzyme activities, Biogeosciences Discuss., 9, 5109–5151, doi:10.5194/bgd-9-5109-2012, 2012.
• Unger, J., Endres, S., Wannicke, N., Engel, A., Voss, M., Nausch, G., and Nausch, M.: Response of Nodularia spumigena to pCO₂: Part III. Turnover of different phosphorus compounds, in preparation, 2012.
• Wannicke, N.; I.Liskow; M.Voss (2010) Impact of diazotrophy on N stable isotope signatures of nitrate and particulate organic nitrogen– Case studies in North - Eastern Tropical Atlantic Ocean. GIEH Isotopes in Environmental and Health Studies 46 (3):337-354
• N.Wannicke, B.Koch, M.Voss. 2009. Factors influencing the release of fixed nitrogen and carbon as dissolved compounds (TDN and DOC) by two diazotrophic cyanobacterial species: Trichodesmium erythreum and Nodularia spumigena. Aquatic Microbial Ecology, Vol. 57: 175–189; doi: 10.3354/ame01343
• J.Tittel, I.Wiehle, N.Wannicke, H. Kampe, J. Poerschmann, J. Meier, N. Kamjunke (2009) Utilisation of terrestrial carbon by osmotrophic algae. Aquat. Sci. 71 (2009) 46 – 54
• N. Kamjunke, B. Koehler, N.Wannicke, J. Tittel (2008) Algae as competitors for glucose with heterotrophic bacteria. Journal of Phycology 44 (3) 616 - 623
• J. Tittel, J.Poerschmann , N.Wannicke, N. Kamjunke (2008) Polymerized coumaric acid as a model substrate for terrestrial-derived dissolved organic carbon utilized by aquatic microorganisms, J. Microbiol. Meth. 73, 237 – 241

  Dissertation: "On the role of dinitrogen (N₂) fixing cyanobacteria in marine environments with special focus on release and transfer of nitrogen (N)"

Vorträge und Posterpräsentationen

• Nicola Wannicke, Hans-Peter Grossart & Maren Voss (2011) Invited keynote lecture:  Impacts of Ocean Acidification on Microbial Processes and Biogeochemistry. IPCC Workshop Okinawa, Japan, 17-19.1.2011
• Nicola Wannicke, Sonja Endres, Anja Engel, Hans-Peter Grossart, Günther Nausch Monika Nausch , Juliane Unger,  Maren Voss (2011) Cyanobacteria in a high CO2 world- Growth and production of Nodularia spumigena under different CO2 concentrations. Vortrag gehalten auf der ASLO conference San Juan, Puerto Rico, 13-18.2.2011
• Nicola Wannicke, Hans-Peter Grossart, Giselher Gust , Andreas Meyer(2010) The effect of high hydrostatic pressure on bacterial growth and physiology-perspectives from a laboratory study using piezophillic bacteria strains, Vortrag gehalten auf dem BIOACID-Meeting 28. – 30.09.2010, Bremerhaven
• Nicola Wannicke, Sonja Endres, Anja Engel, Hans-Peter Grossart, Günther Nausch Monika Nausch , Juliane Unger,  Maren Voss (2010) Growth and production by Nodularia under elevated CO₂ concentrations -first results from a joint laboratory study. Posterpräsentation auf dem BIOACID-Meeting 28. – 30.09.2010, Bremerhaven
• Nicola Wannicke, Sonja Endres, Anja Engel, Hans-Peter Grossart, Günther Nausch Monika Nausch , Juliane Unger,  Maren Voss (2010) How elevated pCO₂ and DOM derived from Nodularia grown at different pCO₂ level modify bacterial growth and activity-first results from a joint laboratory study. Posterpräsentation auf dem BIOACID-Meeting 28. – 30.09.2010, Bremerhaven
• N.Wannicke, F. Korth, M. Voss (2009): Incorporation of diazotrophic fixed N₂ by mesozooplankton species - Case studies in the southern Baltic Sea using 15N-stable isotope tracer addition, Vortrag gehalten auf der Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft Stabile Isotope e.V. (ASI), 5.-7.10.2009, Potsdam
• Nicola Wannicke, Boris P. Koch, Maren Voss (2009): Factors influencing the release of fixed N₂ and C as dissolved compounds by Trichodesmium erythreum and Nodularia spumigena. Posterpräsentation auf der ASLO Tagung 2009, Nizza
• Nicola Wannicke (2009), Vortragstitel: Transfer of diazotrophic fixed N₂ to mesozooplankton species-Case studies in the Southern Baltic Sea and the Atlantic Ocean. Kiel IFM-GEOMAR invited by Julia La Roche, Fachbereich 2 Seminar