Eutrophication led to the loss of the macrophyte-dominated clear-water regime
and a shift towards a phytoplankton-dominated turbid regime in many shallow
lakes. Allelochemicals released by submerged macrophytes can inhibit the
growth of phytoplankton and might therefore contribute to the stabilization of
the clear-water regime. This thesis aims to determine the ecological relevance
of allelopathic effects between macrophytes and the phytoplankton by detecting
new modes of actions of allelochemicals (chapter II) and by evaluating factors
that influence the sensitivity of the phytoplankton (chapters III-V). The
significance of allelopathic effects of macrophytes on phytoplankton at the
ecosystem scale is still debated. The currently available detection methods
have some drawbacks if used for in situ investigations as they do not allow a
clear separation of allelopathy from other mechanisms. A common problem is
competition for nutrients between phytoplankton and macrophytes that is
assumed to increase with increasing exposure times. In chapter II new modes of
action of the common allelochemical tannic acid were evaluated on three algal
species by the use of flow cytometry. The inhibition of esterase activity and
the production of reactive oxygen species (ROS) were found as new observation
variables. An inhibition of the esterase activity was shown after short
exposure times (3 h) and at naturally occurring tannic acid concentrations and
is thus a promising tool for future studies on allelopathic effects from
submerged macrophytes on phytoplankton under in situ conditions (chapter II).
The reasons for sensitivity differences of phytoplankton groups and species to
allelochemicals are not yet known. Two factors potentially influencing the
sensitivity of the phytoplankton to allelochemicals were tested in this thesis
by evaluating the influence of algal-associated bacteria (chapter III), and
the impact of interactions between two phytoplankton species on their
sensitivity (chapter IV). One prerequisite for bacterial involvement in
different sensitivities is their species-specific association to the algae.
This hypothesis was tested by comparing the algal-associated bacterial
communities of the insensitive green alga Desmodesmus armatus and the
sensitive diatom Stephanodiscus minutulus after drastic changes to the
environmental conditions. Both species, D. armatus as well as S. minutulus,
were found to harbor species-specific bacterial communities. However,
allelochemical degrading bacteria were associated with both of the tested
species, and consequently a bacterial involvement with species-specific
sensitivities is not likely (chapter III). The influence of interactions
between phytoplankton species on their sensitivity to allelochemicals was
investigated using the cyanobacterium Microcystis aeruginosa and the green
alga D. armatus (chapter IV). Their interactions significantly altered their
sensitivity to allelochemicals. Growth rate inhibition of M. aeruginosa by the
allelopathically active macrophyte Myriophyllum spicatum in single-species
cultures changed to an enhancement if co-cultured with D. armatus. This
finding implies that results of single-species tests may not easily be
transferred to the ecosystem level (chapter IV). Algal sensitivities to
stressors have been analyzed at the group, genus or species level. However,
sensitivities of algae to allelochemicals may also be strain-specific, and
these sensitivities may depend on the presence of allelopathically active
macrophytes in their original habitat due to potential adaptations. To test
this, 13 strains of the green alga Pediastrum duplex were isolated from three
different macrophyte-free water bodies, and ten strains from two water bodies
containing dense stands of allelopathically active macrophytes. The tested
strains exhibited differences of sensitivity to allelochemicals with respect
to growth rates and photosynthetic yields of about one order of magnitude.
Consequently, future studies on allelochemical sensitivities of algae should
also consider strain-specific sensitivities. However, the sensitivities of P.
duplex growth rates and photosynthetic yields to allelochemicals were not
dependent on the presence of allelopathically active macrophytes in their
water bodies of origin. Thus, a local adaptation of the target algae to
allelochemicals of submerged macrophytes was not shown.Durch Eutrophierung verloren viele der mitteleuropäischen Flachseen den von
Makrophyten dominierten Klarwasser-Zustand und gingen in den Phytoplankton
dominierten trüben Zustand über. Allelopathische Substanzen, die von
aquatischen Makrophyten exudiert werden, können das Wachstum des
Phytoplanktons inhibieren und damit potenziell zu einer Stabilisierung des
Klarwasser-Zustandes in eutrophen Gewässern führen. Die vorliegende Arbeit
trägt zur Aufklärung der ökologischen Relevanz dieser allelopathischen Effekte
der Makrophyten auf das Phytoplankton bei, indem die Wirkmechanismen
allelopathischer Substanzen (Kapitel II) und Faktoren, die die Sensitivität
des Phytoplanktons beeinflussen (Kapitel III-V), erörtert werden. Die
Signifikanz allelopathischer Effekte von Makrophyten gegenüber dem
Phytoplankton auf Ökosystemebene ist umstritten. Einen Hauptgrund hierfür
stellen die bisher etablierten Nachweismethoden dar, welche Einschränkungen
für die Messung allelopathischer Effekte in situ aufweisen. Daher gelang es
bisher nicht, Allelopathie aquatischer Makrophyten unter in situ Bedingungen
zweifelsfrei von anderen Effekten zu separieren. Problematisch ist
insbesondere der Ausschluss einer Nährstoffkonkurrenz zwischen Makrophyten und
Phytoplankton, die mit zunehmender Expositionszeit zu erwarten ist. In Kapitel
II wurden neue Wirkmechanismen einer typischen polyphenolischen
Allelochemikalie (Tanninsäure) mittels Durchflusszytometrie mit
Fluoreszenzmarkern an drei Algenarten evaluiert. Hierbei konnten die
Inhibition des Enzymes Esterase und die Produktion reaktiver Sauerstoff-
Radikale als neue Anzeiger für allelopathische Effekte detektiert werden. Die
nach kurzer Expositionszeit (3 h) und unter natürlich vorkommenden
Tanninsäure-Konzentrationen nachgewiesene Inhibition der Esterase-Aktivität
stellt eine vielversprechende neue Methodik zur Untersuchung allelopathischer
Effekte submerser Makrophyten auf Phytoplankton unter in situ Bedingungen dar
(Kapitel II). Die Gründe für unterschiedliche Sensitivitäten verschiedener
Phytoplankton-Gruppen und -Arten gegenüber Allelochemikalien sind bisher
unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden der Einfluss Algen-assoziierter
Bakterien (Kapitel III) und der Einfluss von Interaktionen zwischen
verschiedenen Phytoplanktonarten (Kapitel IV) als potentielle Einflussfaktoren
untersucht. Eine Voraussetzung für die Beteiligung assoziierter Bakterien an
unterschiedlichen Sensitivitäten ist eine Algenart-spezifische Assoziation.
Diese Hypothese wurde durch Vergleiche der Algen-assoziierten
Bakteriengemeinschaften vor und nach drastischen Umweltveränderungen der
gegenüber Allelochemikalien unsensitiven Grünalge Desmodesmus armatus und der
sensitiven Kieselalge Stephanodiscus minutulus getestet (Kapitel III). Sowohl
für D. armatus als auch für S. minutulus wurden artspezifische
Bakteriengemeinschaften nachgewiesen (Kapitel III). Allelochemikalien
abbauende Bakterien fanden sich jedoch in Assoziation mit beiden Algenarten,
so dass deren signifikante Beteiligung an artspezifischen
Sensitivitätsunterschieden nicht wahrscheinlich ist (Kapitel III). In Kapitel
IV wurde der Einfluss von Interaktionen zwischen Phytoplanktonarten auf deren
Sensitivität gegenüber Allelochemikalien am Beispiel der Cyanobakterie
Microcystis aeruginosa und der Grünalge D. armatus untersucht. Hierbei
veränderte die Interaktion der beiden Phytoplanktonarten deren Sensitivität
gegenüber Allelochemikalien signifikant. Die in einartlichen Kulturen von M.
aeruginosa nachgewiesene Inhibition der Wachstumsraten durch die
allelopathisch aktive Makrophytenart Myriophyllum spicatum wandelte sich in
Mischkulturen mit D. armatus in eine Förderung. Dieses Ergebnis verdeutlicht,
dass Resultate aus Experimenten mit einartlichen Kulturen nur bedingt auf die
Freilandsituation übertragbar sind (Kapitel IV). Ein Vergleich der
Sensitivitäten des Phytoplanktons gegenüber Allelochemikalien erfolgte bisher
nur auf Gruppen-, Gattungs- oder Artniveau. In Kapitel V wurde getestet, ob
auch stammspezifische Unterschiede in der Sensitivität auftreten, und ob diese
Sensitivitäten aufgrund von Adaption von der Anwesenheit allelopathisch
aktiver Makrophyten im Herkunftsgewässer der Stämme abhängen. Um dies zu
überprüfen wurden 13 Stämme der Grünalge Pediastrum duplex aus drei
verschiedenen Makrophyten-freien Gewässern und 10 Stämme aus zwei Gewässern
mit allelopathisch aktiven Makrophyten isoliert. Anschließend wurden die
Wachstumsraten und die photosynthetische Aktivität aller Stämme unter Einfluss
von Allelochemikalien gemessen. Die getesteten Stämme wiesen Unterschiede in
der Inhibition ihrer Wachstumsraten und photosynthetischen Aktivität von ca.
einer Größenordnung auf. Zukünftige Sensitivitätstests sollten also
stammspezifische Unterschiede berücksichtigen, da das Artniveau nicht
ausreichend trennscharf bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber
Allelochemikalien ist. Eine Korrelation von niedrigen Sensitivitäten mit der
Herkunft aus Makrophyten-dominierten Gewässern wurde allerdings weder für die
Wachstumsraten noch für die photosynthetische Aktivität festgestellt. Somit
konnte keine lokale Adaption der Algen an Allelochemikalien nachgewiesen
werden
