The impact of salps (Salpa thompsoni) on the Antarctic krill population (Euphausia superba): an individual-based modelling study

Krill (Euphausia superba) and salps (Salpa thompsoni) are key macrozooplankton grazers in the Southern Ocean ecosystem. However, due to differing habitat requirements, both species previously exhibited little spatial overlap. With ongoing climate change-induced seawater temperature increase and regional sea ice loss, salps can now extend their spatial distribution into historically krill-dominated areas and increase rapidly due to asexual reproduction when environmental conditions are favorable. Understanding the potential effects on krill is crucial, since krill is a species of exceptional trophic significance in the Southern Ocean food web. Negative impacts on krill could trigger cascading effects on its predators and prey. To address this question, we combined two individual-based models on salps and krill, which describe the whole life cycle of salp individuals and the dynamic energy budget of individual krill. The resulting new model PEKRIS (PErformance of KRIll vs. Salps) simulates a krill population for 100 years under varying chlorophyll-a concentrations in the presence or absence of salps. All of the investigated krill population properties (abundance, mean length, and yearly egg production) were significantly impacted by the presence of salps. On the other hand, salp density was not impacted if krill were present. The medians of krill population properties deviated during variable maximum chlorophyll-a density per year when salps were introduced by − 99.9% (− 234 individuals per 1000 m3) for krill density, − 100% (− 22,062 eggs per 1000 m3) for krill eggs and − 0.9% (− 0.3 mm) for mean length of krill. If both species compete for the same food resource in a closed space, salps seem to inhibit krill populations. Further simulation studies should investigate whether this effect prevails if different phytoplankton sizes and consumption preferences of krill are implemented. Furthermore, direct predation of the two species or consumption of krill fecal pellets by salps could change the impact size of the food competition

An intercomparison of models predicting growth of Antarctic krill (Euphausia superba): The importance of recognizing model specificity

Antarctic krill (Euphausia superba) is a key species of the Southern Ocean, impacted by climate change and human exploitation. Understanding how these changes affect the distribution and abundance of krill is crucial for generating projections of change for Southern Ocean ecosystems. Krill growth is an important indicator of habitat suitability and a series of models have been developed and used to examine krill growth potential at different spatial and temporal scales. The available models have been developed using a range of empirical and mechanistic approaches, providing alternative perspectives and comparative analyses of the key processes influencing krill growth. Here we undertake an intercomparison of a suite of the available models to understand their sensitivities to major driving variables. This illustrates that the results are strongly determined by the model structure and technical characteristics, and the data on which they were developed and validated. Our results emphasize the importance of assessing the constraints and requirements of individual krill growth models to ensure their appropriate application. The study also demonstrates the value of the development of alternative modelling approaches to identify key processes affecting the dynamics of krill. Of critical importance for modelling the growth of krill is appropriately assessing and accounting for differences in estimates of food availability resulting from alternative methods of observation. We suggest that an intercomparison approach is particularly valuable in the development and application of models for the assessment of krill growth potential at circumpolar scales and for future projections. As another result of the intercomparison, the implementations of the models used in this study are now publicly available for future use and analyses

Advancing individual-based models of Antarctic krill (Euphausia superba, Dana 1850)

Der Antarktische Krill (Euphausia superba) ist eine Schlüsselart des Ökosystems des Südozeans und möglicherwese die biomassereichste Art der Erde. Klimawandelbedingte Lebensraumänderungen, die Expansion der kommerziellen Krillfischerei, sowie sich erholende Bartenwalpopulationen setzen Krillpopulationen jedoch zunehmend unter Druck. Daher besteht ein großer Bedarf, die Auswirkungen dieser verschiedener Stressoren auf Krillpopulationen zu verstehen und vorherzusagen. Dabei helfen Simulationsmodelle, die das Wachstum und die Entwicklung des Krills vorhersagen. Modelle sind vielseitige Instrumente, mit denen sich die Auswirkungen verschiedener Stressoren auf Krill in unterschiedlichen Szenarien bewerten lässt, was sie für Management- und Projektionsstudien besonders nützlich macht. In dieser Arbeit untersuchen wir Möglichkeiten die Robustheit von Modellen zu verbessern, die das Wachstum von Krillindividuen unter verschiedenen Umweltbedingungen vorhersagen. Zunächst haben wir ein bestehendes Wachstumsmodell erweitert, indem wir es um realistischere physiologische Prozesse ergänzt haben, was zu verbesserten Wachstumsvorhersagen führte. Anschließend haben wir in der Vergangenheit publizierte Wachstumsmodelle verglichen, um zu untersuchen, ob die Mechanismen des Krillwachstums verallgemeinerbar sind, da die Modelle für verschiedene Regionen entwickelt und mit unterschiedlichen Daten kalibriert wurden, regelmäßig aber außerhalb dieser Regionen verwendet werden. Diese Information ist wichtig für künftige Simulationsstudien, da eine regionale Spezifität die Modelle in ihrer großskaligen Anwendbarkeit limitieren würde. Die Wachstumsvorhersagen der verschiedenen Modellen bei identischen Inputdaten zeigte dabei, dass die Mechanismen und Wachstumsvorhersagen zwischen den Modellen erheblich variieren. Durch die Identifizierung der Ursachen dieser Modellspezifität, konnten wir das allgemeine Verständnis der Krill-Wachstumsmechanismen verbessern und zu der Entwicklung robusterer Modellen beitragen. Individuenbasierte Modelle ermöglichen die Einbindung vieler Prozesse, wie z. B. Verhalten, was diese Art von Modellen besonders attraktiv macht. Unser mechanistisches Verständnis des Verhaltens von Krill ist jedoch noch begrenzt, und wir haben versucht, dies durch die Analyse eines achtmonatigen Datensatzes über das vertikale Migrationsverhalten des Krills zu verbessern. Die Analysen zeigten, dass das vertikale Migrationsverhalten von Krillschwärmen sehr flexibel ist und wahrscheinlich von mehreren Faktoren wie dem Stadium, der Jahreszeit, den Nahrungsbedingungen und der Anwesenheit von Krillprädatoren bestimmt wird. Diese Studie dient als Grundlage für die Entwicklung von Modellkomponenten, die es erlauben das Krillverhalten in individualbasierte Modelle zu integrieren. Anschließend haben wir das vorhandene Wissen über das Krillverhalten in einem Reviewartikel zusammengefasst und dabei die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf Krillverteilung und das Schwarmverhalten analysiert. Zuletzt haben wir einen Systematic Literature Review durchgeführt, um eine Übersicht von Daten zu erstellen, die für die Modellentwicklung und -parametrisierung genutzt werden können. Auf diese Weise konnten wir Aspekte der Krillökologie identifizieren, für die aktuell besonders wenige Daten existieren, was wertvoll für zukünftige empirische Forschung sein wird. Da die Schließung dieser Datenlücken Zeit brauchen wird, diskutieren wir zudem auch Möglichkeiten zur Modellierung des Krillwachstums trotz bestehender Unsicherheiten. Mit dieser Arbeit leisten wir einen Beitrag zur Entwicklung realistischerer und robusterer individuenbasierter Krill-Wachstumsmodelle.:1. Introduction 2. Article I - The impact of seasonal regulation of metabolism on the life history of Antarctic krill (Euphausia superba) 3. Article II - An intercomparison of models predicting growth of Antarctic krill (Euphausia superba): the importance of recognizing model specificity 4. Article III - An open and lightweight method to analyze the vertical distribution of pelagic organisms using echogram screenshots 5. Article IV - Plasticity and seasonality of the vertical migratory behaviour of Antarctic krill using acoustic data from fishing vessels 6. Article V - Impacts of climate change on krill behaviour and population dynamics 7. Article VI - Mapping the data landscape for developing and parameterizing Antarctic krill models 8. Supervised Research Projects 9. Discussion 10. Literature cited in Introduction and Discussion 11. Appendice

Advancing individual-based models of Antarctic krill (Euphausia superba, Dana 1850)

Der Antarktische Krill (Euphausia superba) ist eine Schlüsselart des Ökosystems des Südozeans und möglicherwese die biomassereichste Art der Erde. Klimawandelbedingte Lebensraumänderungen, die Expansion der kommerziellen Krillfischerei, sowie sich erholende Bartenwalpopulationen setzen Krillpopulationen jedoch zunehmend unter Druck. Daher besteht ein großer Bedarf, die Auswirkungen dieser verschiedener Stressoren auf Krillpopulationen zu verstehen und vorherzusagen. Dabei helfen Simulationsmodelle, die das Wachstum und die Entwicklung des Krills vorhersagen. Modelle sind vielseitige Instrumente, mit denen sich die Auswirkungen verschiedener Stressoren auf Krill in unterschiedlichen Szenarien bewerten lässt, was sie für Management- und Projektionsstudien besonders nützlich macht. In dieser Arbeit untersuchen wir Möglichkeiten die Robustheit von Modellen zu verbessern, die das Wachstum von Krillindividuen unter verschiedenen Umweltbedingungen vorhersagen. Zunächst haben wir ein bestehendes Wachstumsmodell erweitert, indem wir es um realistischere physiologische Prozesse ergänzt haben, was zu verbesserten Wachstumsvorhersagen führte. Anschließend haben wir in der Vergangenheit publizierte Wachstumsmodelle verglichen, um zu untersuchen, ob die Mechanismen des Krillwachstums verallgemeinerbar sind, da die Modelle für verschiedene Regionen entwickelt und mit unterschiedlichen Daten kalibriert wurden, regelmäßig aber außerhalb dieser Regionen verwendet werden. Diese Information ist wichtig für künftige Simulationsstudien, da eine regionale Spezifität die Modelle in ihrer großskaligen Anwendbarkeit limitieren würde. Die Wachstumsvorhersagen der verschiedenen Modellen bei identischen Inputdaten zeigte dabei, dass die Mechanismen und Wachstumsvorhersagen zwischen den Modellen erheblich variieren. Durch die Identifizierung der Ursachen dieser Modellspezifität, konnten wir das allgemeine Verständnis der Krill-Wachstumsmechanismen verbessern und zu der Entwicklung robusterer Modellen beitragen. Individuenbasierte Modelle ermöglichen die Einbindung vieler Prozesse, wie z. B. Verhalten, was diese Art von Modellen besonders attraktiv macht. Unser mechanistisches Verständnis des Verhaltens von Krill ist jedoch noch begrenzt, und wir haben versucht, dies durch die Analyse eines achtmonatigen Datensatzes über das vertikale Migrationsverhalten des Krills zu verbessern. Die Analysen zeigten, dass das vertikale Migrationsverhalten von Krillschwärmen sehr flexibel ist und wahrscheinlich von mehreren Faktoren wie dem Stadium, der Jahreszeit, den Nahrungsbedingungen und der Anwesenheit von Krillprädatoren bestimmt wird. Diese Studie dient als Grundlage für die Entwicklung von Modellkomponenten, die es erlauben das Krillverhalten in individualbasierte Modelle zu integrieren. Anschließend haben wir das vorhandene Wissen über das Krillverhalten in einem Reviewartikel zusammengefasst und dabei die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf Krillverteilung und das Schwarmverhalten analysiert. Zuletzt haben wir einen Systematic Literature Review durchgeführt, um eine Übersicht von Daten zu erstellen, die für die Modellentwicklung und -parametrisierung genutzt werden können. Auf diese Weise konnten wir Aspekte der Krillökologie identifizieren, für die aktuell besonders wenige Daten existieren, was wertvoll für zukünftige empirische Forschung sein wird. Da die Schließung dieser Datenlücken Zeit brauchen wird, diskutieren wir zudem auch Möglichkeiten zur Modellierung des Krillwachstums trotz bestehender Unsicherheiten. Mit dieser Arbeit leisten wir einen Beitrag zur Entwicklung realistischerer und robusterer individuenbasierter Krill-Wachstumsmodelle.:1. Introduction 2. Article I - The impact of seasonal regulation of metabolism on the life history of Antarctic krill (Euphausia superba) 3. Article II - An intercomparison of models predicting growth of Antarctic krill (Euphausia superba): the importance of recognizing model specificity 4. Article III - An open and lightweight method to analyze the vertical distribution of pelagic organisms using echogram screenshots 5. Article IV - Plasticity and seasonality of the vertical migratory behaviour of Antarctic krill using acoustic data from fishing vessels 6. Article V - Impacts of climate change on krill behaviour and population dynamics 7. Article VI - Mapping the data landscape for developing and parameterizing Antarctic krill models 8. Supervised Research Projects 9. Discussion 10. Literature cited in Introduction and Discussion 11. Appendice

Advancing individual-based models of Antarctic krill (Euphausia superba, Dana 1850)

Der Antarktische Krill (Euphausia superba) ist eine Schlüsselart des Ökosystems des Südozeans und möglicherwese die biomassereichste Art der Erde. Klimawandelbedingte Lebensraumänderungen, die Expansion der kommerziellen Krillfischerei, sowie sich erholende Bartenwalpopulationen setzen Krillpopulationen jedoch zunehmend unter Druck. Daher besteht ein großer Bedarf, die Auswirkungen dieser verschiedener Stressoren auf Krillpopulationen zu verstehen und vorherzusagen. Dabei helfen Simulationsmodelle, die das Wachstum und die Entwicklung des Krills vorhersagen. Modelle sind vielseitige Instrumente, mit denen sich die Auswirkungen verschiedener Stressoren auf Krill in unterschiedlichen Szenarien bewerten lässt, was sie für Management- und Projektionsstudien besonders nützlich macht. In dieser Arbeit untersuchen wir Möglichkeiten die Robustheit von Modellen zu verbessern, die das Wachstum von Krillindividuen unter verschiedenen Umweltbedingungen vorhersagen. Zunächst haben wir ein bestehendes Wachstumsmodell erweitert, indem wir es um realistischere physiologische Prozesse ergänzt haben, was zu verbesserten Wachstumsvorhersagen führte. Anschließend haben wir in der Vergangenheit publizierte Wachstumsmodelle verglichen, um zu untersuchen, ob die Mechanismen des Krillwachstums verallgemeinerbar sind, da die Modelle für verschiedene Regionen entwickelt und mit unterschiedlichen Daten kalibriert wurden, regelmäßig aber außerhalb dieser Regionen verwendet werden. Diese Information ist wichtig für künftige Simulationsstudien, da eine regionale Spezifität die Modelle in ihrer großskaligen Anwendbarkeit limitieren würde. Die Wachstumsvorhersagen der verschiedenen Modellen bei identischen Inputdaten zeigte dabei, dass die Mechanismen und Wachstumsvorhersagen zwischen den Modellen erheblich variieren. Durch die Identifizierung der Ursachen dieser Modellspezifität, konnten wir das allgemeine Verständnis der Krill-Wachstumsmechanismen verbessern und zu der Entwicklung robusterer Modellen beitragen. Individuenbasierte Modelle ermöglichen die Einbindung vieler Prozesse, wie z. B. Verhalten, was diese Art von Modellen besonders attraktiv macht. Unser mechanistisches Verständnis des Verhaltens von Krill ist jedoch noch begrenzt, und wir haben versucht, dies durch die Analyse eines achtmonatigen Datensatzes über das vertikale Migrationsverhalten des Krills zu verbessern. Die Analysen zeigten, dass das vertikale Migrationsverhalten von Krillschwärmen sehr flexibel ist und wahrscheinlich von mehreren Faktoren wie dem Stadium, der Jahreszeit, den Nahrungsbedingungen und der Anwesenheit von Krillprädatoren bestimmt wird. Diese Studie dient als Grundlage für die Entwicklung von Modellkomponenten, die es erlauben das Krillverhalten in individualbasierte Modelle zu integrieren. Anschließend haben wir das vorhandene Wissen über das Krillverhalten in einem Reviewartikel zusammengefasst und dabei die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf Krillverteilung und das Schwarmverhalten analysiert. Zuletzt haben wir einen Systematic Literature Review durchgeführt, um eine Übersicht von Daten zu erstellen, die für die Modellentwicklung und -parametrisierung genutzt werden können. Auf diese Weise konnten wir Aspekte der Krillökologie identifizieren, für die aktuell besonders wenige Daten existieren, was wertvoll für zukünftige empirische Forschung sein wird. Da die Schließung dieser Datenlücken Zeit brauchen wird, diskutieren wir zudem auch Möglichkeiten zur Modellierung des Krillwachstums trotz bestehender Unsicherheiten. Mit dieser Arbeit leisten wir einen Beitrag zur Entwicklung realistischerer und robusterer individuenbasierter Krill-Wachstumsmodelle.:1. Introduction 2. Article I - The impact of seasonal regulation of metabolism on the life history of Antarctic krill (Euphausia superba) 3. Article II - An intercomparison of models predicting growth of Antarctic krill (Euphausia superba): the importance of recognizing model specificity 4. Article III - An open and lightweight method to analyze the vertical distribution of pelagic organisms using echogram screenshots 5. Article IV - Plasticity and seasonality of the vertical migratory behaviour of Antarctic krill using acoustic data from fishing vessels 6. Article V - Impacts of climate change on krill behaviour and population dynamics 7. Article VI - Mapping the data landscape for developing and parameterizing Antarctic krill models 8. Supervised Research Projects 9. Discussion 10. Literature cited in Introduction and Discussion 11. Appendice

Biomass of invertebrate bycatch on the East- and West-Greenland shelf during Walther Herwig III cruise WH379

The study on invertebrate communities in East- and West-Greenland shelf waters was embedded in a fisheries survey carried out during the 379th expedition of the German fisheries vessel Walther Herwig III of the Thünen Institute of Sea Fisheries, Hamburg, Germany. The aim of the study was a coarse classification of the bycatch comprising macrobenthic organisms. On the one hand the marine ecosystem of this area provides food for commercially valuable fish stocks and plays, potentially an important role in the remineralisation of nutrients. On the other hand it experiences stress by traditional bottom trawling as well as anthropogenic and natural climate variability. As a consequence the study can provide a baseline to detect further changes in the composition of this component of a sub-arctic marine ecosystem

The impact of seasonal regulation of metabolism on the life history of Antarctic krill

Antarctic krill up- and down-regulate their metabolism as a strategy to cope with the strong seasonal environmental fluctuations in the Southern Ocean. In this study, we investigate the impact of this light- and temperature dependent metabolic regulation on growth, reproduction and winter survival of krill. Therefore, we advance a bioenergetic growth model of krill by adding a data-derived scaling function of krill activity. With SERBIK (SEasonally Regulated BIoenergetic Krill growth model), we conduct a numerical experiment which tests the impact of such scaling on krill life history under two different winter food conditions: In the first scenario, we simulate life history of krill when winter food availability is low; in the second scenario, winter food availability is increased within realistic ranges. The results demonstrate that the scaling of metabolism is especially important during low food winters. Reducing metabolism during winter permits individuals to grow to larger body length, reproduce successfully and release a greater number of eggs. It further significantly reduces withinyear size fluctuations caused by starvation during months with low food availability. Finally, SERBIK can be used in future spatial modelling studies which include movement of krill along latitudinal gradients and thus spatiotemporal gradients in light- and temperature

Plasticity and seasonality of the vertical migration behaviour of Antarctic krill using acoustic data from fishing vessels

Understanding the vertical migration behaviour of Antarctic krill is important for understanding spatial distribution, ecophysiology, trophic interactions and carbon fluxes of this Southern Ocean key species. In this study, we analysed an eight-month continuous dataset recorded with an ES80 echosounder on board a commercial krill fishing vessel in the southwest Atlantic sector of the Southern Ocean. Our analysis supports the existing hypothesis that krill swarms migrate into deeper waters during winter but also reveals a high degree of variability in vertical migration behaviour within seasons, even at small spatial scales. During summer, we found that behaviour associated with prolonged surface presence primarily occurred at low surface chlorophyll a concentrations whereas multiple ascent–descent cycles per day occurred when surface chlorophyll a concentrations were elevated. The high plasticity, with some krill swarms behaving differently in the same location at the same time, suggests that krill behaviour is not a purely environmentally driven process. Differences in life stage, physiology and type of predator are likely other important drivers. Finally, our study demonstrates new ways of using data from krill fishing vessels, and with the routine collection of additional information in potential future projects, they have great potential to significantly advance our understanding of krill ecology

A new Activity Monitor for Aquatic Zooplankter (AMAZE) allows the recording of swimming activity in wild-caught Antarctic krill (Euphausia superba)

Abstract Antarctic krill (Euphausia superba, hereafter krill) is a pelagic living crustacean and a key species in the Southern Ocean ecosystem. Krill builds up a huge biomass and its synchronized behavioral patterns, such as diel vertical migration (DVM), substantially impact ecosystem structure and carbon sequestration. However, the mechanistic basis of krill DVM is unknown and previous studies of krill behavior in the laboratory were challenged by complex behavior and large variability. Using a new experimental set-up, we recorded the swimming activity of individual wild-caught krill under light–dark cycles. Krill individuals exhibited differential phototactic responses to the light regime provided. However, using a new activity metric, we showed for the first time a consistent nocturnal increase in krill swimming activity in a controlled environment. Krill swimming activity in the new set-up was strongly synchronized with the light–dark cycle, similar to the diel vertical migration pattern of krill in the field when the krill were sampled for the experiment, demonstrated by hydroacoustic recordings. The new set-up presents a promising tool for investigating the mechanisms underlying krill behavioral patterns, which will increase our understanding of ecological interactions, the spatial distribution of populations, and their effects on biogeochemical cycles in the future