Influence of climate change on lake ecosystems - disentangling physical, chemical and biological interactions

Climate change affects lake ecosystems in many ways by direct and indirect temperature impacts on hydrophysical structure, hydrology, chemical cycles and on biological interactions. The identification of these climate signals can be complicated and superimposed by other environmental changes, such as land use changes. The aim of this thesis was to seperate temperature effects from effects of management and other environmental influences and to understand the underlying complex processes causing significant changes of ecosystem states. This understanding is important for decisions of lake and reservoir managers to counteract unfavorable consequences of climate change. For the recent study, long-term data of meteorological, hydrophysical and biological variables (phytoplankton, crustacean zooplankton, fish) of the German drinking water reservoir Saidenbach were analysed. Based on this long-term data set, strong indicators for climate induced changes have been identified. In particular, increasing water temperatures since 1975, earlier break up of ice covers and an altered hydrophysical structure could be detected. Thereby, stratification stability increased and turbulent mixing decreased in summer. The water of the reservoir warmed more than the tributaries resulting in a trend to deeper entrainment of the inflows. As further indicators of climate change, an increased annual biomass of phytoplankton and species shifts in the phytoplankton community in spring and summer had been observed. During the spring mass development, the diatom Aulacoseira subarctica became dominant in recent years with warm winters and early ice-out. Its unusual spatial pattern with occurrences in aphotic depths could be explained by easier resuspension compared to other diatoms. By being resuspended first and establishing a high inoculum, A. subarctica profits from an earlier ice-out and earlier full circulation. In spite of a reduced nutrient loading to the epilimnion, in summer, the diatom Fragilaria crotonensis was displaced increasingly by cyanobacteria. This species shift could be explained well by the hydrophysical regime shift. Although, the annual total phytoplankton biomass increased since 1990, the crustacean zooplankton in Saidenbach reservoir did not seem to profit from improved food resources. To the contrary, Daphnia abundances reduced tremendously. We could show that the influcence of fish stocks were underestimated. The stocked silvercarp may have contributed up to 70 % of the total zooplanktivorous fish biomass which had a temperature and density dependent effect. The faster growth of Daphnia at higher temperatures could not compensate for the more actively grazing fish when stock of zooplankitvorous fish was too high. Still, temperature was identified as the most important factor that explained 29 % of the zooplankton phenology, while the second most important predictors were zooplanktivorous fish biomass and nutrient loading, explaining 18 % of the variance. The importance of submerged macrophytes in shallow lakes is well investigated. To increase also the understanding of their impact and their role during climate change on water quality in deep lakes, a model for stratified lakes that includes submerged macrophytes was developed. The simulations showed that macrophyte effects were mainly positive for water quality and macrophytes in deep lakes were able to potentially reduce summer phytoplankton, especially cyanobacteria by 50 % in 11 m deep and still by 15 % in 100 m deep oligotrophic lakes. Nutrient competition with phytoplankton contributed most to this macrophyte effect. In conclusion, for deep lake restoration the re-establishment of submerged macrophytes might be as important as for shallow lakes. The full lake model includes hydrophysical and ecological submodules and thus will allow further comprehensive climate simulations and the evaluation of the effectivity of adaptive strategies and scenarios for deep lakes and reservoirs.Der Klimawandel beeinflusst Seeökosysteme vielfältig durch direkte und indirekte Temperatureffekte auf die hydrophysikalische Struktur, die Hydrologie, chemische Kreisläufe und biologische Interaktionen. Die Identifikation von Klimasignalen kann durch Landnutzungs- und weitere Umweltveränderungen überlagert werden. Ziel dieser Arbeit war es, Temperatureffekte von Effekten zu unterscheiden, die durch Gewässermanagement oder anderen Umweltveränderungen verursacht werden. Weiterhin sollten komplexe Prozesse verstanden werden, die zu signifikanten Veränderungen in Seeökosystemen führen. Dieses Verständnis ist für Talsperren- und Gewässermanager von besonderer Bedeutung, um ungewünschten Folgen des Klimawandels entgegenwirken zu können. Für die Studie wurden Langzeitdaten für meteorologische, hydrophysikalische und biologische Variablen (Phytoplankton, Crustaceen-Zooplankton, Fischbesatz) der Talsperre Saidenbach ausgewertet. Mehrere Indikatoren für die Auswirkungen des Klimawandels konnten basierend auf diesen Daten identifiziert werden. Diese gehören insbesondere eine Erhöhung der Wassertemperatur seit 1975, zeitigere Eisaufbrüche und eine veränderte Schichtungsstruktur. Dabei wurde im Sommer die Schichtungsstabilität höher und die Intensität der Durchmischung geringer. Das Wasser in der Talsperre erwärmte sich stärker als die Zuflüsse, wodurch diese sich zunehmend tiefer und unterhalb der Thermokline einschichten. Eine zunehmende jährliche Phytoplanktonbiomasse und Artenwechsel innerhalb der Planktongemeinschaft sind weitere Indikatoren für Klimafolgen. Die Kieselalge Aulacoseira subarctica erlangte in Jahren mit warmen Wintern und zeitigen Eisaufbrüchen eine Dominanz während der Frühjahrsentwicklung. Das ungewöhnliche Auftreten dieser Art in aphotischen Tiefen konnte durch eine leichtere Resuspension im Vergleich zu anderen Kieselalgen erklärt werden. Durch zeitige Resuspension gleich nach Eisaufbruch kann A. subarctica ein hohes Inokulum etablieren. Trotz reduzierter Nährstoffzufuhr ins Epilimnion wurde im Sommer die Kieselalge Fragilaria crotonensis vermehrt durch Cyanobakterien verdrängt, was jedoch gut mit den Änderungen der hydrophysikalischen Struktur erklärt werden kann. Obwohl seit 1990 insgesamt mehr Phytoplankton zur Verfügung steht konnte das Crustaceen- Zooplankton in der Talsperre Saidenbach nicht von diesen verbesserten Nahrungsbedingungen profitieren. Die Daphnia-Abundanzen waren seit 1990 stark verringert. Es konnte gezeigt werden, dass der Einfluss des Fischbesatzes unterschätzt wurde und die künstlich ins System eingebrachten Silberkarpfen zeitweise bis zu 70% der zooplanktivoren Fischbiomasse ausgemacht haben. Zoo- planktivore Fische haben einen temperatur- und dichteabhängigen Effekt auf das Zooplankton. Das schnellere Populationswachstum von Daphnia kann bei hohem Besatz mit zooplanktivoren Fischen nicht die erhöhte Fraßaktivität der Fische ausgleichen. Dennoch konnte Temperatur als der wichtigste Einflussfaktor auf die Phänologie des Zooplanktons identifiziert werden, gefolgt von zooplanktivorem Fisch und Nährstoffzufuhr. Die Wichtigkeit von submersen Makrophyten in Flachseen ist gut untersucht. Um den Einfluss von Makropyhten auf die Wasserqualität während des Klimawandels auch in tiefen Seen abschätzen zu können, wurde ein komplexes Seemodell entwickelt. Die Simulationen zeigen, dass sich Makrophyten hauptsächlich positiv auf die Wassergüte auswirken und zur Reduktion von Phytoplankton, insbesondere von Cyanobakterien im Sommer, beitragen. In einem 11 m tiefen See betrug die Reduktion 50 %, in 100 m tiefen oligotrophen Seen immer noch 15 %. Die Konkurrenz um Nährstoffe mit dem Phytoplankton war dabei die ursächliche Makrophyten-Plankton-Interaktion. Submerse Makrophyten könnten für die Restaurierung von tiefen Seen folglich genauso wichtig sein, wie für Flachseen. Das komplette Seemodell enthält hydrophysikalische und ökologische Module und ermöglicht damit weitere umfassende Simulationen zur Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels und zur Evaluation von Adaptionsstrategien für Seen und Talsperren

Colloidal bimetallic platinum–ruthenium nanoparticles in ordered mesoporous carbon films as highly active electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction

Hydrogen features a very high specific energy density and is therefore a promising candidate for clean fuel from renewable resources. Water electrolysis can convert electrical energy into storable and transportable hydrogen gas. Under acidic conditions, platinum is the most active and stable monometallic catalyst for the hydrogen evolution reaction (HER). Yet, platinum is rare and needs to be used efficiently. Here, we report a synthesis concept for colloidal bimetallic platinum–ruthenium and rhodium–ruthenium nanoparticles (PtRuNP, RhRuNP) and their incorporation into ordered mesoporous carbon (OMC) films. The films exhibit high surface area, good electrical conductivity and well-dispersed nanoparticles inside the mesopores. The nanoparticles retain their size, crystallinity and composition during carbonization. In the hydrogen evolution reaction (HER), PtRuNP/OMC catalyst films show up to five times higher activity per Pt than Pt/C/Nafion® and PtRu/C/Nafion® reference catalysts.TU Berlin, Open-Access-Mittel - 2020European Metrology Research Programme (EMRP), 16ENG0, Hybrid metrology for thin films in energy applications (HyMET)BMBF, 03VP05390, Nanostrukturierte Elektroden der nächsten Generation für eine energieeffiziente Produktion von Chlor - Next-Gen-ChlorBMBF, 03EK3009, Design hocheffizienter Elektrolysekatalysatore

Single Application of Low-Dose, Hydroxyapatite-Bound BMP-2 or GDF-5 Induces Long-Term Bone Formation and Biomechanical Stabilization of a Bone Defect in a Senile Sheep Lumbar Osteopenia Model

Effects of hydroxyapatite (HA) particles with bone morphogenetic BMP-2 or GDF-5 were compared in sheep lumbar osteopenia; in vitro release in phosphate-buffered saline (PBS) or sheep serum was assessed by ELISA. Lumbar (L) vertebral bone defects (Ø 3.5 mm) were generated in aged, osteopenic female sheep ( n = 72; 9.00 ± 0.11 years; mean ± SEM). Treatment was: (a) HA particles (2.5 mg; L5); or (b) particles coated with BMP-2 (1 µg; 10 µg) or GDF-5 (5 µg; 50 µg; L4; all groups n = 6). Untouched vertebrae (L3) served as controls. Three and nine months post-therapy, bone formation was assessed by osteodensitometry, histomorphometry, and biomechanical testing. Cumulative 14-day BMP release was high in serum (76–100%), but max. 1.4% in PBS. In vivo induction of bone formation by HA particles with either growth factor was shown by: (i) significantly increased bone volume, trabecular and cortical thickness (overall increase HA + BMP vs. control close to the injection channel 71%, 110%, and 37%, respectively); (ii) partial significant effects for bone mineral density, bone formation, and compressive strength (increase 17%; 9 months; GDF-5). Treatment effects were not dose-dependent. Combined HA and BMPs (single low-dose) highly augment long-term bone formation and biomechanical stabilization in sheep lumbar osteopenia. Thus, carrier-bound BMP doses 20,000-fold to 1000-fold lower than previously applied appear suitable for spinal fusion/bone regeneration and improved treatment safety

Exploring, exploiting and evolving diversity of aquatic ecosystem models: A community perspective

Here, we present a community perspective on how to explore, exploit and evolve the diversity in aquatic ecosystem models. These models play an important role in understanding the functioning of aquatic ecosystems, filling in observation gaps and developing effective strategies for water quality management. In this spirit, numerous models have been developed since the 1970s. We set off to explore model diversity by making an inventory among 42 aquatic ecosystem modellers, by categorizing the resulting set of models and by analysing them for diversity. We then focus on how to exploit model diversity by comparing and combining different aspects of existing models. Finally, we discuss how model diversity came about in the past and could evolve in the future. Throughout our study, we use analogies from biodiversity research to analyse and interpret model diversity. We recommend to make models publicly available through open-source policies, to standardize documentation and technical implementation of models, and to compare models through ensemble modelling and interdisciplinary approaches. We end with our perspective on how the field of aquatic ecosystem modelling might develop in the next 5–10 years. To strive for clarity and to improve readability for non-modellers, we include a glossary

Influence of climate change on lake ecosystems - disentangling physical, chemical and biological interactions

Climate change affects lake ecosystems in many ways by direct and indirect temperature impacts on hydrophysical structure, hydrology, chemical cycles and on biological interactions. The identification of these climate signals can be complicated and superimposed by other environmental changes, such as land use changes. The aim of this thesis was to seperate temperature effects from effects of management and other environmental influences and to understand the underlying complex processes causing significant changes of ecosystem states. This understanding is important for decisions of lake and reservoir managers to counteract unfavorable consequences of climate change. For the recent study, long-term data of meteorological, hydrophysical and biological variables (phytoplankton, crustacean zooplankton, fish) of the German drinking water reservoir Saidenbach were analysed. Based on this long-term data set, strong indicators for climate induced changes have been identified. In particular, increasing water temperatures since 1975, earlier break up of ice covers and an altered hydrophysical structure could be detected. Thereby, stratification stability increased and turbulent mixing decreased in summer. The water of the reservoir warmed more than the tributaries resulting in a trend to deeper entrainment of the inflows. As further indicators of climate change, an increased annual biomass of phytoplankton and species shifts in the phytoplankton community in spring and summer had been observed. During the spring mass development, the diatom Aulacoseira subarctica became dominant in recent years with warm winters and early ice-out. Its unusual spatial pattern with occurrences in aphotic depths could be explained by easier resuspension compared to other diatoms. By being resuspended first and establishing a high inoculum, A. subarctica profits from an earlier ice-out and earlier full circulation. In spite of a reduced nutrient loading to the epilimnion, in summer, the diatom Fragilaria crotonensis was displaced increasingly by cyanobacteria. This species shift could be explained well by the hydrophysical regime shift. Although, the annual total phytoplankton biomass increased since 1990, the crustacean zooplankton in Saidenbach reservoir did not seem to profit from improved food resources. To the contrary, Daphnia abundances reduced tremendously. We could show that the influcence of fish stocks were underestimated. The stocked silvercarp may have contributed up to 70 % of the total zooplanktivorous fish biomass which had a temperature and density dependent effect. The faster growth of Daphnia at higher temperatures could not compensate for the more actively grazing fish when stock of zooplankitvorous fish was too high. Still, temperature was identified as the most important factor that explained 29 % of the zooplankton phenology, while the second most important predictors were zooplanktivorous fish biomass and nutrient loading, explaining 18 % of the variance. The importance of submerged macrophytes in shallow lakes is well investigated. To increase also the understanding of their impact and their role during climate change on water quality in deep lakes, a model for stratified lakes that includes submerged macrophytes was developed. The simulations showed that macrophyte effects were mainly positive for water quality and macrophytes in deep lakes were able to potentially reduce summer phytoplankton, especially cyanobacteria by 50 % in 11 m deep and still by 15 % in 100 m deep oligotrophic lakes. Nutrient competition with phytoplankton contributed most to this macrophyte effect. In conclusion, for deep lake restoration the re-establishment of submerged macrophytes might be as important as for shallow lakes. The full lake model includes hydrophysical and ecological submodules and thus will allow further comprehensive climate simulations and the evaluation of the effectivity of adaptive strategies and scenarios for deep lakes and reservoirs.Der Klimawandel beeinflusst Seeökosysteme vielfältig durch direkte und indirekte Temperatureffekte auf die hydrophysikalische Struktur, die Hydrologie, chemische Kreisläufe und biologische Interaktionen. Die Identifikation von Klimasignalen kann durch Landnutzungs- und weitere Umweltveränderungen überlagert werden. Ziel dieser Arbeit war es, Temperatureffekte von Effekten zu unterscheiden, die durch Gewässermanagement oder anderen Umweltveränderungen verursacht werden. Weiterhin sollten komplexe Prozesse verstanden werden, die zu signifikanten Veränderungen in Seeökosystemen führen. Dieses Verständnis ist für Talsperren- und Gewässermanager von besonderer Bedeutung, um ungewünschten Folgen des Klimawandels entgegenwirken zu können. Für die Studie wurden Langzeitdaten für meteorologische, hydrophysikalische und biologische Variablen (Phytoplankton, Crustaceen-Zooplankton, Fischbesatz) der Talsperre Saidenbach ausgewertet. Mehrere Indikatoren für die Auswirkungen des Klimawandels konnten basierend auf diesen Daten identifiziert werden. Diese gehören insbesondere eine Erhöhung der Wassertemperatur seit 1975, zeitigere Eisaufbrüche und eine veränderte Schichtungsstruktur. Dabei wurde im Sommer die Schichtungsstabilität höher und die Intensität der Durchmischung geringer. Das Wasser in der Talsperre erwärmte sich stärker als die Zuflüsse, wodurch diese sich zunehmend tiefer und unterhalb der Thermokline einschichten. Eine zunehmende jährliche Phytoplanktonbiomasse und Artenwechsel innerhalb der Planktongemeinschaft sind weitere Indikatoren für Klimafolgen. Die Kieselalge Aulacoseira subarctica erlangte in Jahren mit warmen Wintern und zeitigen Eisaufbrüchen eine Dominanz während der Frühjahrsentwicklung. Das ungewöhnliche Auftreten dieser Art in aphotischen Tiefen konnte durch eine leichtere Resuspension im Vergleich zu anderen Kieselalgen erklärt werden. Durch zeitige Resuspension gleich nach Eisaufbruch kann A. subarctica ein hohes Inokulum etablieren. Trotz reduzierter Nährstoffzufuhr ins Epilimnion wurde im Sommer die Kieselalge Fragilaria crotonensis vermehrt durch Cyanobakterien verdrängt, was jedoch gut mit den Änderungen der hydrophysikalischen Struktur erklärt werden kann. Obwohl seit 1990 insgesamt mehr Phytoplankton zur Verfügung steht konnte das Crustaceen- Zooplankton in der Talsperre Saidenbach nicht von diesen verbesserten Nahrungsbedingungen profitieren. Die Daphnia-Abundanzen waren seit 1990 stark verringert. Es konnte gezeigt werden, dass der Einfluss des Fischbesatzes unterschätzt wurde und die künstlich ins System eingebrachten Silberkarpfen zeitweise bis zu 70% der zooplanktivoren Fischbiomasse ausgemacht haben. Zoo- planktivore Fische haben einen temperatur- und dichteabhängigen Effekt auf das Zooplankton. Das schnellere Populationswachstum von Daphnia kann bei hohem Besatz mit zooplanktivoren Fischen nicht die erhöhte Fraßaktivität der Fische ausgleichen. Dennoch konnte Temperatur als der wichtigste Einflussfaktor auf die Phänologie des Zooplanktons identifiziert werden, gefolgt von zooplanktivorem Fisch und Nährstoffzufuhr. Die Wichtigkeit von submersen Makrophyten in Flachseen ist gut untersucht. Um den Einfluss von Makropyhten auf die Wasserqualität während des Klimawandels auch in tiefen Seen abschätzen zu können, wurde ein komplexes Seemodell entwickelt. Die Simulationen zeigen, dass sich Makrophyten hauptsächlich positiv auf die Wassergüte auswirken und zur Reduktion von Phytoplankton, insbesondere von Cyanobakterien im Sommer, beitragen. In einem 11 m tiefen See betrug die Reduktion 50 %, in 100 m tiefen oligotrophen Seen immer noch 15 %. Die Konkurrenz um Nährstoffe mit dem Phytoplankton war dabei die ursächliche Makrophyten-Plankton-Interaktion. Submerse Makrophyten könnten für die Restaurierung von tiefen Seen folglich genauso wichtig sein, wie für Flachseen. Das komplette Seemodell enthält hydrophysikalische und ökologische Module und ermöglicht damit weitere umfassende Simulationen zur Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels und zur Evaluation von Adaptionsstrategien für Seen und Talsperren

Korrelative Ex-situ-Analyse und operando ellipsometrische Untersuchung während der Sauerstoffentwicklungsreaktion von mesoporösen Iridiumoxid-Modellkatalysatoren

In the face of rising energy demand and the impending climate change, the development of sustainable, fossil-free fuel and chemical production is of global importance. One way to achieve these goals is the development of electrochemical conversion processes using catalysts. Key to the development of improved catalysts is a better understanding of the relations between their performance, stability, and physicochemical properties. However, the complex morphology of such catalysts constitutes a challenge even for modern analytical techniques. For example, standard rotating disc electrode experiments are performed to study the impact of the catalysts structure on electrochemical processes, but do not provide any information about changing material properties during the experiment. Ellipsometry is a very versatile spectroscopic method, often used to study film thickness and refractive index, but also providing access to electrical and electronic properties. Spectroscopic ellipsometry (SE) further offers the possibility to study materials under different environments. However, since material properties cannot be taken directly from the measured spectra, suitable models have to be developed and validated. In this thesis, a model for ellipsometric fit studies of a calcination series of mesoporous iridium oxide films (300 °C – 600 °C) was developed and validated in terms of film thickness and porosity as well as electrical and electronic properties using various ex-situ characterization methods such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray reflectometry (XRR), conductivity measurements, and UV-VIS-NIR absorption spectroscopy. SE data also offer the possibility to derive valence electron energy loss spectra (VEELS), which provide further information about the electronic structure of the materials. Comparison of the data from the VEEL spectra with activity measurements of the oxygen evolution reaction (OER) suggests that the intrinsic activity (surface charge normalized activity) of IrOx scales with interband transition energies between the Ir 5d t2g sub-level and the O 2p orbital. For SE studies under operando conditions, an environmental cell setup was developed that allows simultaneous spectroscopic characterization while measuring the catalytic activity of a reaction. Analyses on a platinum surface successfully demonstrate the oxidation and reduction of a platinum oxide layer as a function of the potential. Electrochemical SE studies (ECSE) on mesoporous IrOx films show a dependence of the electrical and electronic properties on the applied potential. Furthermore, the degree of filling of the pores with the generated gas (oxygen) can be detected. The influence of the calcination temperature can also be related to the potential dependent changes of the electrical and electronic properties as well as the pore filling degree. This work further discusses a possible band structure of the IrOx materials as a function of calcination temperature as well as potential and calcination temperature dependent changes during OER catalysis. Furthermore, a time-resolved and potential-dependent quantification analysis of the gas accumulation in the pores of the catalyst systems is discussed.Angesichts des steigenden Energiebedarfs und des drohenden Klimawandels ist die Entwicklung einer nachhaltigen, fossilfreien Kraftstoff- und Chemieproduktion von globaler Bedeutung. Eine Möglichkeit, diese Ziele zu erreichen, ist die Entwicklung von elektrochemischen Umwandlungsprozessen unter Verwendung von Katalysatoren. Der Schlüssel zur Entwicklung verbesserter Katalysatoren ist ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen ihrer Leistung, Stabilität und ihren physikochemischen Eigenschaften. Die komplexe Morphologie solcher Katalysatoren stellt jedoch selbst für moderne analytische Techniken eine Herausforderung dar. So werden z. B. Standard-Experimente mit rotierenden Scheibenelektroden durchgeführt, um den Einfluss der Katalysatorstruktur auf elektrochemische Prozesse zu untersuchen, liefern aber keine Informationen über sich ändernde Materialeigenschaften während des Experiments. Die Ellipsometrie ist eine sehr vielseitige spektroskopische Methode, die häufig zur Untersuchung von Schichtdicke und Brechungsindex eingesetzt wird, aber auch Zugang zu elektrischen und elektronischen Eigenschaften bietet. Die spektroskopische Ellipsometrie (SE) bietet außerdem die Möglichkeit, Materialien unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Da die Materialeigenschaften jedoch nicht direkt aus den gemessenen Spektren entnommen werden können, müssen geeignete Modelle entwickelt und validiert werden. In dieser Arbeit wurde ein Modell für ellipsometrische Fit-Studien einer Kalzinierungsserie mesoporöser Iridiumoxid-Filme (300 °C – 600 °C) entwickelt und hinsichtlich Filmdicke und Porosität sowie elektrischer und elektronischer Eigenschaften unter Verwendung verschiedener Ex-situ-Charakterisierungsmethoden wie Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgen-reflektometrie (XRR), Leitfähigkeitsmessungen und UV-VIS-NIR-Absorptionsspektroskopie validiert. SE-Daten bieten auch die Möglichkeit, Valenzelektronen-Energieverlustspektren (VEELS) abzuleiten, die weitere Informationen über die elektronische Struktur der Materialien liefern. Der Vergleich der Daten aus den VEEL-Spektren mit Aktivitätsmessungen der Sauerstoff-Evolutionsreaktion (OER) legt nahe, dass die intrinsische Aktivität (oberflächenladungsnormierte Aktivität) von IrOx mit den Zwischenband-Übergangsenergien zwischen dem Ir 5d t2g Niveau und dem O 2p Orbital skaliert. Für SE-Untersuchungen unter operando-Bedingungen wurde ein Umgebungszellen-Setup entwickelt, das die gleichzeitige spektroskopische Charakterisierung bei gleichzeitiger Messung der katalytischen Aktivität einer Reaktion erlaubt. Analysen auf einer Platinoberfläche zeigen erfolgreich die Oxidation und Reduktion einer Platinoxidschicht als Funktion des Potenzials. Elektrochemische SE-Studien (ECSE) an mesoporösen IrOx-Filmen zeigen eine Abhängigkeit der elektrischen und elektronischen Eigenschaften vom angelegten Potenzial. Weiterhin kann der Füllungsgrad der Poren mit dem erzeugten Gas (Sauerstoff) nachgewiesen werden. Der Einfluss der Kalzinierungstemperatur kann ebenfalls mit den potenzialabhängigen Änderungen der elektrischen und elektronischen Eigenschaften sowie des Porenfüllungsgrades in Verbindung gebracht werden. In dieser Arbeit wird weiterhin eine mögliche Bandstruktur der IrOx-Materialien in Abhängigkeit von der Kalzinierungstemperatur diskutiert, sowie die potenzial- und kalzinierungstemperatur-abhängigen Änderungen während der OER-Katalyse. Weiterhin wird eine zeitaufgelöste und potenzialabhängige Quantifizierungsanalyse der Gasanreicherung in den Poren der Katalysator-systeme diskutiert

Influence of climate change on lake ecosystems - disentangling physical, chemical and biological interactions

Climate change affects lake ecosystems in many ways by direct and indirect temperature impacts on hydrophysical structure, hydrology, chemical cycles and on biological interactions. The identification of these climate signals can be complicated and superimposed by other environmental changes, such as land use changes. The aim of this thesis was to seperate temperature effects from effects of management and other environmental influences and to understand the underlying complex processes causing significant changes of ecosystem states. This understanding is important for decisions of lake and reservoir managers to counteract unfavorable consequences of climate change. For the recent study, long-term data of meteorological, hydrophysical and biological variables (phytoplankton, crustacean zooplankton, fish) of the German drinking water reservoir Saidenbach were analysed. Based on this long-term data set, strong indicators for climate induced changes have been identified. In particular, increasing water temperatures since 1975, earlier break up of ice covers and an altered hydrophysical structure could be detected. Thereby, stratification stability increased and turbulent mixing decreased in summer. The water of the reservoir warmed more than the tributaries resulting in a trend to deeper entrainment of the inflows. As further indicators of climate change, an increased annual biomass of phytoplankton and species shifts in the phytoplankton community in spring and summer had been observed. During the spring mass development, the diatom Aulacoseira subarctica became dominant in recent years with warm winters and early ice-out. Its unusual spatial pattern with occurrences in aphotic depths could be explained by easier resuspension compared to other diatoms. By being resuspended first and establishing a high inoculum, A. subarctica profits from an earlier ice-out and earlier full circulation. In spite of a reduced nutrient loading to the epilimnion, in summer, the diatom Fragilaria crotonensis was displaced increasingly by cyanobacteria. This species shift could be explained well by the hydrophysical regime shift. Although, the annual total phytoplankton biomass increased since 1990, the crustacean zooplankton in Saidenbach reservoir did not seem to profit from improved food resources. To the contrary, Daphnia abundances reduced tremendously. We could show that the influcence of fish stocks were underestimated. The stocked silvercarp may have contributed up to 70 % of the total zooplanktivorous fish biomass which had a temperature and density dependent effect. The faster growth of Daphnia at higher temperatures could not compensate for the more actively grazing fish when stock of zooplankitvorous fish was too high. Still, temperature was identified as the most important factor that explained 29 % of the zooplankton phenology, while the second most important predictors were zooplanktivorous fish biomass and nutrient loading, explaining 18 % of the variance. The importance of submerged macrophytes in shallow lakes is well investigated. To increase also the understanding of their impact and their role during climate change on water quality in deep lakes, a model for stratified lakes that includes submerged macrophytes was developed. The simulations showed that macrophyte effects were mainly positive for water quality and macrophytes in deep lakes were able to potentially reduce summer phytoplankton, especially cyanobacteria by 50 % in 11 m deep and still by 15 % in 100 m deep oligotrophic lakes. Nutrient competition with phytoplankton contributed most to this macrophyte effect. In conclusion, for deep lake restoration the re-establishment of submerged macrophytes might be as important as for shallow lakes. The full lake model includes hydrophysical and ecological submodules and thus will allow further comprehensive climate simulations and the evaluation of the effectivity of adaptive strategies and scenarios for deep lakes and reservoirs.Der Klimawandel beeinflusst Seeökosysteme vielfältig durch direkte und indirekte Temperatureffekte auf die hydrophysikalische Struktur, die Hydrologie, chemische Kreisläufe und biologische Interaktionen. Die Identifikation von Klimasignalen kann durch Landnutzungs- und weitere Umweltveränderungen überlagert werden. Ziel dieser Arbeit war es, Temperatureffekte von Effekten zu unterscheiden, die durch Gewässermanagement oder anderen Umweltveränderungen verursacht werden. Weiterhin sollten komplexe Prozesse verstanden werden, die zu signifikanten Veränderungen in Seeökosystemen führen. Dieses Verständnis ist für Talsperren- und Gewässermanager von besonderer Bedeutung, um ungewünschten Folgen des Klimawandels entgegenwirken zu können. Für die Studie wurden Langzeitdaten für meteorologische, hydrophysikalische und biologische Variablen (Phytoplankton, Crustaceen-Zooplankton, Fischbesatz) der Talsperre Saidenbach ausgewertet. Mehrere Indikatoren für die Auswirkungen des Klimawandels konnten basierend auf diesen Daten identifiziert werden. Diese gehören insbesondere eine Erhöhung der Wassertemperatur seit 1975, zeitigere Eisaufbrüche und eine veränderte Schichtungsstruktur. Dabei wurde im Sommer die Schichtungsstabilität höher und die Intensität der Durchmischung geringer. Das Wasser in der Talsperre erwärmte sich stärker als die Zuflüsse, wodurch diese sich zunehmend tiefer und unterhalb der Thermokline einschichten. Eine zunehmende jährliche Phytoplanktonbiomasse und Artenwechsel innerhalb der Planktongemeinschaft sind weitere Indikatoren für Klimafolgen. Die Kieselalge Aulacoseira subarctica erlangte in Jahren mit warmen Wintern und zeitigen Eisaufbrüchen eine Dominanz während der Frühjahrsentwicklung. Das ungewöhnliche Auftreten dieser Art in aphotischen Tiefen konnte durch eine leichtere Resuspension im Vergleich zu anderen Kieselalgen erklärt werden. Durch zeitige Resuspension gleich nach Eisaufbruch kann A. subarctica ein hohes Inokulum etablieren. Trotz reduzierter Nährstoffzufuhr ins Epilimnion wurde im Sommer die Kieselalge Fragilaria crotonensis vermehrt durch Cyanobakterien verdrängt, was jedoch gut mit den Änderungen der hydrophysikalischen Struktur erklärt werden kann. Obwohl seit 1990 insgesamt mehr Phytoplankton zur Verfügung steht konnte das Crustaceen- Zooplankton in der Talsperre Saidenbach nicht von diesen verbesserten Nahrungsbedingungen profitieren. Die Daphnia-Abundanzen waren seit 1990 stark verringert. Es konnte gezeigt werden, dass der Einfluss des Fischbesatzes unterschätzt wurde und die künstlich ins System eingebrachten Silberkarpfen zeitweise bis zu 70% der zooplanktivoren Fischbiomasse ausgemacht haben. Zoo- planktivore Fische haben einen temperatur- und dichteabhängigen Effekt auf das Zooplankton. Das schnellere Populationswachstum von Daphnia kann bei hohem Besatz mit zooplanktivoren Fischen nicht die erhöhte Fraßaktivität der Fische ausgleichen. Dennoch konnte Temperatur als der wichtigste Einflussfaktor auf die Phänologie des Zooplanktons identifiziert werden, gefolgt von zooplanktivorem Fisch und Nährstoffzufuhr. Die Wichtigkeit von submersen Makrophyten in Flachseen ist gut untersucht. Um den Einfluss von Makropyhten auf die Wasserqualität während des Klimawandels auch in tiefen Seen abschätzen zu können, wurde ein komplexes Seemodell entwickelt. Die Simulationen zeigen, dass sich Makrophyten hauptsächlich positiv auf die Wassergüte auswirken und zur Reduktion von Phytoplankton, insbesondere von Cyanobakterien im Sommer, beitragen. In einem 11 m tiefen See betrug die Reduktion 50 %, in 100 m tiefen oligotrophen Seen immer noch 15 %. Die Konkurrenz um Nährstoffe mit dem Phytoplankton war dabei die ursächliche Makrophyten-Plankton-Interaktion. Submerse Makrophyten könnten für die Restaurierung von tiefen Seen folglich genauso wichtig sein, wie für Flachseen. Das komplette Seemodell enthält hydrophysikalische und ökologische Module und ermöglicht damit weitere umfassende Simulationen zur Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels und zur Evaluation von Adaptionsstrategien für Seen und Talsperren

Data from: Vertically transmitted symbiont reduces host fitness along temperature gradient

Parasites with exclusive vertical transmission from host parent to offspring are an evolutionary puzzle. With parasite fitness entirely linked to host reproduction, any fitness cost for infected hosts risks their selective elimination. Environmental conditions likely influence parasite impact, and thereby the success of purely vertical transmission strategies. We tested for temperature-dependent virulence of Caedibacter taeniospiralis, a vertically transmitted bacterial symbiont of the protozoan Paramecium tetraurelia. We compared growth of infected and cured host populations at five temperatures (16-32°C). Infection reduced host density at all temperatures, with a peak at 28°C. These patterns were largely consistent across five infected Paramecium strains. Similar to Wolbachia symbionts, C. taeniospiralis may compensate fitness costs by conferring to the host a 'killer trait', targeting uninfected competitors. Considerable loss of infection at 32°C suggests that killer efficacy is not universal and that limited heat tolerance restricts the conditions for persistence of C. taeniospiralis

growth curve and carrying capacity

Date set contains the data for growth curve and carrying capacity data for 5 strain identitis at 5 temperatures in 3 replicate