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Ecophysiological studies on Arthrospira fusiformis

Mary Nakabungo Kaggwa

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*innen

Michael Schagerl ,

Steve O. Odour

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DOI

10.25365/thesis.27934

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30060.09959.829553-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Arthrospira fusiformis (Voronich.) Komárek und Lund, (Cyanobakterien; früherer Name: Spirulina plantensis) ist für ihre hohe Anpassungsfähigkeit bekannt, die es der Alge ermöglicht, eine Vielzahl von Habitaten zu besiedeln, von alkalischen Binnengewässern bis zu Sodaseen. Das Taxon stellt den Hauptanteil – oft auch die einzige Komponente - des pelagischen Phytoplanktons der Seen Nakuru und Bogoria dar. Die beiden Seen befinden sich in der semi-ariden Zone Zentralkenias und bilden einen Teil der Kette an alkalischen Sodaseen im Ostafrikanischen Grabenbruch. Sie beherbergen Millionen von Flamingos (Phoeniconaias minor), die sich hauptsächlich von Arthrospira ernähren. Lange stand Arthrospira im Mittelpunkt der ökologischen Forschung, vor allem wegen ihrer fundamentalen Rolle für die Funktion von Sodaseen, aber auch wegen ihrer wohlbekannten Rolle als nährstoffreiche Nahrungsquelle. In der vorliegenden Arbeit werden wichtige, bis jetzt nicht oder nicht ausreichend erforschte Aspekte der Physiologie und Ökologie dieser faszinierenden Organismen beleuchtet. Die praktischen Arbeiten für diese Studien wurden in den Seen Nakuru und Bogoria vom Juli 2008 bis Oktober 2009 durchgeführt. Die Datenerhebung erfolgte in jedem See wöchentlich. Die erste Studie beschäftigte sich mit dem Einfluss des Nährstoffgehalts (Kohlehydrate, Proteine und Fette) und der Qualität der pelagischen Phytoplanktongemeinschaft auf das Auftreten der Flamingopopulationen. Es zeigte sich, dass im See Nakuru das Flamingovorkommen signifikant positiv mit dem Fettgehalt und der Biomasse von Arthrospira korreliert war, während ein negativer Zusammenhang mit dem Auftreten kleiner Blaualgen herrschte (Synechoccus minutus, Synechocystis sp., Raphidiopsis sp.). Dagegen konnten beim See Bogoria keine derartigen signifikanten Zusammenhänge festgestellt werden. Wir ziehen den Schluss, dass die räumlich-zeitlichen Abundanzschwankungen des Flamingos von Nährstoffgehalt und Qualität des Phytoplanktons beeinflusst wird, wenn auch fallweise andere Faktoren – etwa die vorherrschenden Umweltbedingungen – an Wichtigkeit gewinnen können. In der zweiten Studie wurden die zeitlichen Veränderungen in der Morphologie von Arthrospira in Bezug auf Zelldurchmesser, Zellhöhe, Höhe der Windung, Windungsdurchmesser und Anzahl der Windungen in den zwei Seen untersucht und die zugrunde liegenden Schlüsselfaktoren identifiziert. Zellen mittlerer Größe und große, weit gewundene Filamente dominierten in beiden Seen. Der Prozentsatz an großen, weit gewundenen Filamenten nahm bei hohem Orthophosphatgehalt, sowie erhöhter Windgeschwindigkeit, Temperatur und Leitfähigkeit zu. Gegenteilige Bedingungen förderten das Auftreten von kleinen Filamtenten. Große, eng gewundene Filamente traten bei einer Zunahme des Arthrospira-fressenden Zooplanktons und der Infektionen durch Cyanophage (Viren) auf, während weit gewundene Spiralen hauptsächlich bei starker Turbulenz zu beobachten waren. Bei den weit gewundenen Filamenten ergaben Fluoreszenzmessungen eine hohe Vitalität. Diese Studie zeigte erstmals die morphologischen Muster von Arthrospira in der freien Natur. Die Morphologie von Arthrospira kann als Indikator für die biologische Stabilität in Sodaseen herangezogen werden. Die Schlüsselfaktoren, welche die Phytoplanktongemeinschaft strukturieren und die Umweltvariablen, die die Änderungen in der Biomasse vom Arthrospira beeinflussen, untersuchten wir in der dritten Studie. In beiden Seen dominierte Arthrospira fusiformis hinsichtlich der Biomasse. Im Lake Nakuru konnten plötzliche Zusammenbrüche bei Arthrospira beobachtet werden. Bei den drei Faktoren Salinität, pH-Wert und Aschegewicht war ein signifikanter Zusammenhang mit dem Muster des Auftretens der Phytoplanktontaxa festzustellen. Arthrospira fehlte bei sehr hohen Aschegewichten (> 0.677 g L-1) und den höchsten Salinitätswerten (> 57.8 ‰). Unter diesen Bedingungen war Picocystis salinarium konkurrenzstärker. Picoplankton war auch bei hohen pH-Werten und während der Zusammenbrüche der Arthrospira-Populationen im See Nakuru zu beobachten. Generell war festzustellen, dass sich Arthrospira nur bedingt an rasche Umweltänderungen anpassen kann. Unter solchen Bedingungen wird es von anderen Phytoplanktern auskonkurrenziert, was zu einer höheren Diversität in der Phytoplanktongemeinschaft führt. Lichteindringtiefe, Konsumenten von Arthrospira und Virenattacken (Cyanophagen), die dieses Taxon angreifen steuern die Abundanz von Arthrospira im See Nakuru. In dieser Studie konnte erstmals der Zusammenhang zwischen der Infektion durch Cyanophagen in Arthrospira-Filamenten und dem plötzlichen Zusammenbruch dieser Alge dokumentiert werden. Unsere Studien sind Pionierarbeiten in den Sodaseen und die wöchentliche Probennahme ermöglichte eine detaillierte Analyse der kurzfristigen Veränderungen in diesen dynamischen Systemen. Die ökophysiologischen Studien an Arthrospira wiesen dieses Taxon als Basis des funktionierenden Ökosystems aus and die periodischen Zusammenbrüche schlugen sich nicht nur in signifikanten Veränderungen der Phytoplanktongemeinschaft nieder, sondern auch in der Abundanz der Primärkonsumenten – in diesem Fall der Flamingos. Die Ergebnisse der Studien vertieften nicht nur unser Verständnis der Funktionsweise dieser Ökosysteme, sondern eröffneten auch neue Forschungshorizonte, vor allem in Bezug auf die Rolle von Viren bei der Populationsdynamik von Arthrospira.

Abstract

(Englisch)

Arthrospira fusiformis (Voronich.) Komárek and Lund (Cyanobacteria; formerly called Spirulina plantensis) is known to have a high degree of adaptation which enables it to grow in a wide range of habitats, from fresh-alkaline to saline waters. This taxon is the largest contributor to the pelagic phytoplankton communities of lakes Nakuru and Bogoria often forming unialgal biomass. The two lakes are located in the semi-arid region of Central Kenya and form part of the chain of alkaline-saline lakes along the floor of the eastern Africa Rift Valley. They are primary hosts to millions of Lesser Flamingos (Phoeniconaias minor) which mainly feed on Arthrospira. For a long while now, Arthrospira has been a taxon of interest for ecologists because of the fundamental role it plays in the functioning of the soda lakes as well as commercial producers due to its well-known nutritional benefits. For the present work the aim was to delve further in the fascinating nature of the ecology and physiology of this organism particularly targeting those areas that until now knowledge about them is unavailable or if so still needed further research to derive definitive conclusions. All the studies for this work were carried out in lakes Nakuru and Bogoria from July, 2008 to October, 2009 and data collected on a weekly basis for each lake. The first study was about the influence of the nutritional (carbohydrates, crude protein and lipids) composition and quality of the pelagic phytoplankton community on the occurrence of Lesser Flamingo populations. The findings showed that in Lake Nakuru, Lesser Flamingos had a significant positive relationship with lipids and Arthrospira biomass but a negative relationship with small cyanoprokaryotes (Synechoccus minutus, Synechocystis sp., Raphidiopsis sp.). For Lake Bogoria, no significant relationships were observed. We concluded that the nutritional composition and quality of the phytoplankton community influenced the temporal and spatial abundance of Lesser Flamingos although other factors such as the prevailing environmental conditions might take precedence. The second study involved temporal morphological (cell diameter, cell height, height of coil, coil diameter and number) changes of Arthrospira in the two lakes and underlying key factors were identified. In both lakes, medium-sized cells and large, widely-coiled filaments prevailed most. Percentage of large, widely-coiled filaments was promoted by elevated levels of soluble reactive phosphorous, wind speed, temperature and conductivity and the opposite for small filaments. Large, narrow-coiled filaments were associated with an increase in mainly Arthrospira-grazing zooplankton and cyanophage infections, widely-coiled spirals were promoted by increased turbulences. Based on fluorescence measurements, we found widely-coiled filaments representing high vitality. From this study we were able to demonstrate for the first time morphological patterns of Arthrospira in nature. Also Arthrospira morphology is suitable for indicating the biological stability in soda lakes as its shape shifts are highly subjective to the prevailing conditions. The third study involved investigations on the key drivers for structuring the phytoplankton community and determining variables that significantly influenced the observed changes in Arthrospira biomass. In both lakes, Arthrospira fusiformis dominated algal biomass, but for Nakuru, sudden Arthrospira breakdowns were recognized. Three variables – salinity, pH and ash mass – significantly contributed to the phytoplankton taxa pattern. Arthrospira was absent at the highest ash mass (> 0.677 g L-1) and salinity (> 57.8 ‰) levels being outcompeted by Picocystis salinarium. Picoplankton were also present at a higher pH and during Arthrospira crash in L. Nakuru. Overall it was observed that Arthrospira’s response to fast environmental changes is limited in nature hindering its growth and therefore being outcompeted by other taxa thus contributing to a more diverse phytoplankton community. Light penetration, consumers of Arthrospira and cyanophages attacking this taxon significantly influenced Arthrospira abundance in L. Nakuru. This was the first study to prove cyanophage infection in Arthrospira filaments and relate the virus attacks to its sudden breakdowns. The above studies were all maiden research works in these soda lakes and the weekly sampling intervals offered an exceptional opportunity to capture the short term occurrences in these dynamic systems. The ecophysiological studies on Arthrospira depicted this taxon as the basis of the ecosystem functioning and its periodic disappearance revealed significant alterations not only in the phytoplankton community composition and abundances but also in other ecosystem components such as abundances of the primary consumers – Lesser Flamingos. The findings from these studies contributed to a further understanding of the functioning of these systems and at the same time opened new avenues of research for instance, the role of viruses in Arthrospira population dynamics.

Autor*innen

Mary Nakabungo Kaggwa

Haupttitel (Englisch)

Ecophysiological studies on Arthrospira fusiformis

Paralleltitel (Deutsch)

Ökophysiologische Studie über Arthrospira fusiformis

Paralleltitel (Englisch)

Ecophysiological studies on Arthrospira fusiformis

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

96 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Lothar Krienitz ,

Mohamed Mostafa El-Sheek

Klassifikationen

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,

42 Biologie > 42.90 Ökologie: Allgemeines ,

42 Biologie > 42.93 Limnologie

AC Nummer

AC11049063

Utheses ID

24960

Studienkennzahl

UA | 094 | 437 | |

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