Modellierung der Auswirkung veränderlicher ... · Berechnung der Wachstumsraten Die Wachstumsrate...

SIL Tagung Pörtschach

Modellierung der Auswirkung

veränderlicher

Umweltbedingungen auf das

Algenwachstum

Philipp Trummer, Rainer Kurmayer,

Institut für Limnologie der ÖAW, Mondsee


Planktothrix (Oscillatoriaceae) in tiefen Voralpenseen

Planktothrix rubescens

- Filamentbildendes Cyanobakterium

- Pigment Phycoerythrin als Anpassung an niedrige

Lichtverfügbarkeit

- Gasvesikel erlauben Einschichtung im Metalimnion und

Blütenbildung an der Gewässeroberfläche

- Mögliche Umweltgefährdung durch toxische

Sekundärmetaboliten wie das Heptapeptid Microcystin


Einschichtung von Planktothrix in der Wassersäule

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 5 10 15 20 25 30

Dep

th [

m]

Temperature [°C]

ODO [mg/ml]

Eingeschichtete

Planktothrix-Population

am 14.09.11


Einschichtung von Planktothrix in der Wassersäule

Mixing Depth: Tiefe der

Winddurchmischung

Planktothrixmaxima

zeigen in den

Sommermonaten eine

Einschichtung in der

Wassersäule unterhalb der

Durchmischungstiefe.


+) schädlich (Toxine)

+) Verlust der Biodiversität, irreversible

Veränderung des Ökosystems

Kosten

+) unmittelbar (monitoring,

Wasseraufbereitung, Alternativen)

+) Langzeitkosten (Verringerung des

Eintrags der Nährstoffe)

+) Reduktion des Erholungswertes

Effekte von Algenblüten

Mondsee, P. rubescens bloom, shore-

line near Scharfling, approx. 1973;

Foto: © A. Jagsch (BAW Scharfling)

Dokulil & Teubner 2012 (Hydrobiologia)


Langzeit Algenwachstum am Mondsee

Dokulil & Teubner (2012), Hydrobiologia

Years 1970-2010

Seit 1983 gibt es zwischen Total Phosphor gehalt und Planktothrix

biovolume keine Korrelation, dh. Es sind Faktoren wie Licht und

Temperatur, die entscheidend sind

PlanktothrixTP


Entwicklung von Planktothrix in den letzten 10 Jahren

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Bio

masse m

m3/m

-3

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Gesamt Algen Biomasse

Planktothrix Biomasse

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Ante

il P

lankto

thrix (

%)

0

10

20

30

40

50

nodata

nodata

Trotz gleichbleibenden TP Gehalt variiert die Planktothrixbiomasse berträchtlich,

andere Faktoren wie Temperatur und Lichtklima müssen das Wachstum beeinflussen


Probenahme

- Probenahme am tiefsten Punkt des Sees im Zeitraum von Frühjahr 2010 bis Frühjahr 2011

- Während der Schichtungsperiode Probenahme in 2m -Tiefenstufen von 0-20m

- Bestimmung von Secchitiefe und Attenuation

- Bestimmung von Phytoplanktonzusammensetzung,

Totalphosphor und Chlorophyllgehalt im Labor


Dichtebestimmung

- Zählung der autofluoreszenten Filamente mit

Epifluoreszenzmikroskop (Zeiss)

-Zählung und Vermessung der Filamente je nach

Planktothrixdichte händisch (NIS-Elements)

oder mit einem semiautomatischen

Zählprogramm (Planktotriquant)


Temperatur- und Wetterdaten

- Stündliche Messung der Wassertemperatur durch Messkette

- Kontinuierliche Messung der Globalstrahlung und Wind durch

Messstation des ZAMG alle 10 Minuten


Interannuelle Variation der Planktothrix-Population


Planktothrixentwicklung im Mondsee

2010 - 2011Planktothrix

Monat

2 4 6 8 10 12

Mo

nth

ly A

ve

rage

Su

m 0

-20

m [

mm

³/m

³]

0

20

40

60

80

100

2010

2011

Zunahme im Jahr 2011

Abnahme im Jahr 2010


Graduelle Unterschiede in der Temperatur 2010, 2011

2010

Monat

2 4 6 8 10 12

Te

mp

era

tur

[°C

]

0

5

10

15

20

25

0 m

5 m

10 m

15 m

20 m

30 m

2011

Monat

2 4 6 8 10 12T

em

pe

ratu

r [°

C]

0

5

10

15

20

25

0 m

5 m

10 m

15 m

20 m

30 m


Graduelle Unterschiede in der Lichtverfügbarkeit 2010, 2011


Schmidt‘sche Stabilität

Stratification and Stability of the Mondsee

0

500

1000

1500

2000

01.01.2010 01.04.2010 30.06.2010 28.09.2010 27.12.2010 27.03.2011 25.06.2011 23.09.2011 22.12.2011

Date

Sch

mid

t S

tab

ilit

y [

J/m

²]


Modellierung des Planktothrix-Wachstums

Modell des Planktothrixwachstums schließt physikalische

und physiologische Parameter ein

Von Bright & Walsby für den Zürichsee entwickelt (Bright

& Walsby 2000, New Phytol. 146:301)

Berechnung des theoretisch möglichen Wachstums in 10-

min Schritten für 11 Tiefenstufen von 0-20m


Modellparameter

Physikalische Parameter

Windgeschwindigkeit

Globalstrahlung

Wassertemperatur

Lichtattenuation

Physiologische Parameter (Nach

Literaturwerten)

Maximale Wachstumsrate

Wachstumsraten bei

verschiedener

Lichtverfügbarkeit

Q10


Berechnung der Wachstumsraten

Die Wachstumsrate wird in 10-Min-Schritten von 0-

20m berechnet:

N2=N1eµt

Ni Population density [mm³/m³]

µ Growth rate [d-1]

µD Growth rate in darkness (negative) [d-1]

t Time interval [d]

I Irradiance [µmol m²s-1]

In Neutral Irradiance[µmol m²s-1]

Temperature [°C]

’ Reference Temperature [°C]

Q10 Temperature factor

L Growth/Light gradient [(d µmol m2s-1)-1]

Lm Maximal growth rate (light) [d-1]


Bestimmung der Wachstumsrate von

Planktothrix

Lichtabhängige Wachstumskurve für Planktothrix rubescens im Labor

10°C

20°C

Bright & Walsby 2000, New Phytol. 146:301


Beispiel für zwei Sommertage

18.06.11 11.06.11


Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Gro

wth

rate

[ d

-1 ]

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

Avera

ge Insola

tion [W

/m²]

0

200

400

thermal stratification

Daily insolation

Observed growth rate

Modelled growth rate

2010 2011

Gegenüberstellung beobachtete und

berechnete Wachstumsraten

Trummer et al., unpublished

Wachstumsraten im Sommer 2011 > im Sommer 2010


gezählt berechnet gezählt berechnet

Wachstu

msra

te p

ro T

ag

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

2010 2011

Jährliche Wachstumsraten von Planktothrix

2010 2011

Bio

ma

sse P

lankto

thrix m

m3/L

0

2

4

6

8

10

12

Wachstumsraten Biomasse


Dank an:

Rainer Kurmayer

Anthony Walsby

ZAMG Österreich

BAW Scharfling und Land OÖ (Temperaturprojekt Mondsee)

Die Kollegen des Instituts für Limnologie Mondsee

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