An evaluation of the effect of food quality on heterotrophic protists with a critical assessment of a new measuring technique (Flow CAM)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich sowohl mit der Einsetzbarkeit der Flow CAM für planktologische Untersuchungen im Feld, als auch für experimentelle Fragestellungen unter kontrollierten Laborbedingungen. Ursprünglich war die Flow CAM als geeignetes Hilfsmittel gedacht, Wasserproben und deren Planktonbestandteile in kürzester Zeit zu messen, um gegebenenfalls die zeitintensiven, traditionellen Zählmethoden mit dem Mikroskop abzulösen. Die langen Erfahrungen und die täglichen Arbeiten an der Helgoländer Messstation „Reede“ sollten deshalb beste Voraussetzungen bieten, um die Fähigkeiten der Flow CAM mit einigen Routineparametern (z.B. Mikroskopzählungen und Chlorophyll-Messungen) zu vergleichen und ihre Glaubwürdigkeit zu testen. Große Erwartungen wurden in die Flow CAM gesetzt, da sie im Vergleich zu bisherigen Partikelzählern digitale Bilder macht, die es qualitativ ermöglichen, Verteilungsmuster von erkennbaren Partikeln zu bestimmen. Jeder digital erfasste Partikel erhält eine Art Signatur bestehend aus zwanzig verschiedenen Flow CAM Parametern (z.B. Länge, Breite, Fluoreszenz), die es theoretisch ermöglichen sollten eine Gruppe oder eine Art eindeutig zu charakterisieren. Anhand der Signatur sollte es in erneuten Messungen leicht möglich sein die so definierten Partikel wieder zu finden, was eine Quantifizierung enorm vereinfachen würde. In manchen Fällen dürfte dies auch funktionieren, jedoch zeigen die hier vorliegenden Ergebnisse, dass eher darauf zu achten ist, wie die Flow CAM in den einzelnen Messmodi Partikel misst, um glaubhafte Zähldaten überhaupt zu erhalten. In Kapitel II werden deshalb verschiedenste Faktoren präsentiert, die die Flow CAM Ergebnisse im Fluoreszenz-Modus enorm beeinträchtigen. Dazu zählen bestimmte Einstellungen der digitalen Kamera bzw. Einstellungen des Fluoreszenz-Detektors, die für diesen Messmodus sehr wichtig sind. Es besteht die Gefahr, dass Partikel deshalb nicht fotografiert werden, weil sie entweder von der Kamera nicht erkannt werden oder weil sie zu wenig Fluoreszenz besitzen. Viel wichtiger sind aber noch die Auswirkungen von Partikeldichten und Pumpgeschwindigkeiten, die über den Erfolg der Flow CAM Messungen entscheiden. Zudem darf die gemessene Fluoreszenz von einem Partikel nicht als absolute Fluoreszenz gewertet werden, sondern ist auch hier abhängig von der Pumpgeschwindigkeit. In Kapitel III wird die Fähigkeit der Flow CAM im Feld unter Beweis gestellt. Um das gesamte Größenspektrum des Phytoplanktons und Mikrozooplanktons abdecken zu können, mussten drei verschiedene Größenfraktionen gemessen werden. Alle drei Größen wurden mit zwei der drei möglichen Messmodi der Flow CAM gemessen (AutoImage Modus und Fluoreszenz-Modus). Die Ergebnisse zeigen, dass der AutoImage modus der Flow CAM zur Bestimmung der Gesamtpartikelkonzentration im Wasser zuverlässige Ergebnisse erzielt. Jedoch werden in diesem Messmodus hauptsächlich Detrituspartikel aufgenommen. Der Fluoreszenz-Modus hingegen sollte theoretisch nur fluoreszierende Partikel aufnehmen, um die Anzahl an Detritus zu verringern. Dies ist jedoch nicht der Fall, weil eine Vielzahl an Detrituspartikeln mit fluoreszierenden Partikeln mit gemessen wird. Im Vergleich zu den Zähldaten unter dem Mikroskop unterschätzt die Flow CAM die Abundanz von einzelnen Planktonarten in fast allen Fällen. Dies lässt sich hauptsächlich auf den relativ hohen Schwellenwert des Fluoreszenz-Detektors und auf die variablen Pumpgeschwindigkeiten zurückführen, die verwendet wurden, um die Kontaktraten mit fluoreszierenden Partikeln (Planktern) zu erhöhen. Kapitel IV beschäftigt sich zunächst mit den Auswirkungen von unterschiedlichen Futterqualitäten auf den phagotrophen Flagellaten Oxyrrhis marina. Bis jetzt ist wenig bekannt darüber, inwieweit solch primitiv organisierten Einzeller von unterschiedlichen Futterqualitäten betroffen sind. In mehreren Fraßexperimenten zeigt sich dass dieser Einzeller nicht zwischen unterschiedlichen Futterqualitäten unterscheidet; somit scheint die Futteraufnahme qualitätsunabhängig zu sein. Allerdings wirkt sich Phosphor limitiertes Futter negativ auf die Wachstumsraten von O. marina aus. Stickstoff limitiertes Futter hat dagegen keine negativen Auswirkungen. Der Versuch dies anhand von unterschiedlichen Respirationsraten zu erklären, klappt jedoch nicht, da O. marina in beiden Fällen mehr respiriert, um den überschüssigen Kohlenstoff auszuscheiden. Deshalb scheint Phosphor der begrenzende Faktor zu sein, der schnell wachsende Einzeller limitiert. In wie weit O. marina abhängig von seiner elementaren Ausstattung zwischen Stickstoff und Phosphor limitierendem Futter selektieren kann, wird mit Hilfe der Flow CAM in Kapitel V gezeigt. Die Ergebnisse zeigen jedoch keine Selektion, sondern nur unterschiedliche Aufnahmeraten abhängig davon, was vorher gefressen wurde. Wenn O. marina allerdings das Futter nicht in einer Mischung erhält, sondern einzeln, dann fressen sie signifikant mehr von dem Futter, das sie zuvor nicht bekommen haben. Das bedeutet, das O. marina sowohl den Mangel eines limitierenden Elementes in der eigenen Zelle, aber auch die Nährstoffzusammensetzung des Futters erkennt. Die Tatsache, dass O. marina aber auch weiterhin das Futter frisst, das zuvor schon gefressen wurde, zeigt, dass Zellvorgänge, die die Exkretion überschüssiger bzw. das Zurückhalten limitierender Nährstoffe bestimmen, entscheidender sind als die Selektion zwischen unterschiedlichen Futterqualitäten. Die vorliegende Arbeit soll dazu dienen, um einige wichtige Schwachpunkte der Flow CAM aufzuzeigen. Diese Schwachpunkte gilt es weiter auszuarbeiten, um sicherzustellen, dass die Flow CAM eventuell in Zukunft automatische Zählaufgaben übernehmen kann. Welche Rolle heterotrophe Protisten im marinen Nahrungsnetz spielen können und in wie weit sie von unterschiedlichen Futterqualitäten betroffen sind zeigen die hier durchgeführten Experimente mit dem Modellorganismus O. marina. Weitere Untersuchungen sind notwendig um herauszufinden inwiefern sich diese Ergebnisse auf andere Protisten übertragen lassen.