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Sebastian Kolzau

• In order to lower the phytoplankton biomass in lakes it is theoretically most effective to reduce the nutrient that is actually limiting. However, it is widely assumed that the abundance and N₂-fixation rate of N₂-fixing cyanobacteria (Nostocales) would increase in response to reduced N loading, and thereby render efforts to improve water quality by N reduction ineffective. Nostocales N₂-fixation has a huge energy demand and consequently the light intensity may affect the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions. This led to the following aims, for which three different sets of experiments were conducted. (i) Determination of the seasonal dynamic of N- and P-limitation for four lakes of differing lake types in the German lowlands and testing the power of four N:P ratios to predict the limiting nutrient: Biweekly experiments were performed in 4 lakes differing in lake. For the shallow lakes there was a trend from P limitation in spring to N or light limitation in summer and autumn, while the deep lakeIn order to lower the phytoplankton biomass in lakes it is theoretically most effective to reduce the nutrient that is actually limiting. However, it is widely assumed that the abundance and N₂-fixation rate of N₂-fixing cyanobacteria (Nostocales) would increase in response to reduced N loading, and thereby render efforts to improve water quality by N reduction ineffective. Nostocales N₂-fixation has a huge energy demand and consequently the light intensity may affect the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions. This led to the following aims, for which three different sets of experiments were conducted. (i) Determination of the seasonal dynamic of N- and P-limitation for four lakes of differing lake types in the German lowlands and testing the power of four N:P ratios to predict the limiting nutrient: Biweekly experiments were performed in 4 lakes differing in lake. For the shallow lakes there was a trend from P limitation in spring to N or light limitation in summer and autumn, while the deep lake remained predominantly P limited. The ability of in-lake N:P ratios to predict the relative strength of N vs. P limitation was tested using linear regression. All four N:P ratios had significant positive relationships with the response ratio to N and P additions, but the TN:TP and DIN:TP ratios performed best. Nitrogen limitation was predictable, frequent and persistent, suggesting that nitrogen reduction could play a role in water quality management. (ii) Determination of the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To achieve this, an experiment with water from an N limited lake (LAN) was conducted. While the Nostocales biovolume did not respond to varying N additions, the N₂-fixation increased in low N microcosms. To quantify the extent to which Nostocales compensated for the varying N addition rate, we calculated a compensation rate (CR). By the end of the experiment a CR of 36 % was reached. However, at biovolumes typical for summer in LAN the CR would be much lower. Therefore, in shallow polymictic lakes like LAN, reduced N loading may lower both in-lake N concentrations and biovolumes of non-fixing phytoplankton without significantly impacting Nostocales biovolume. (iii) Determination of the effect of the light intensity on the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To accomplish this aim another microcosm experiment with water from LAN was conducted. While at low and intermediate light intensities the reduction of N addition had no effect on Nostocales biovolume, at high light intensities it led to an increase. The N₂-fixation increased at all light intensities when N addition got reduced. This positive response to a reduction in N addition increased with light, showing that Nostocales may take advantage of being able to fix N₂ mainly at high light intensities.…
• Zur Verringerung der Phytoplanktonbiomasse ist es theoretisch am effektivsten den tatsächlich limitierenden Nährstoff zu reduzieren. Allerdings wird häufig angenommen, dass die Abundanz und die N₂-Fixierung von N₂-fixierenden Cyanobakterien (Nostocales) in Folge einer Verringerung der N-Einträge zunehmen und dadurch die Bemühungen die Wasserqualität zu verbessern ineffektiv machen. Der hohe Energiebedarf der N₂-Fixierung legt nahe, dass das Licht einen Einfluss auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumen und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben hat. Dies führte zu den folgenden Zielen, für die drei Reihen von Nährstoffzugabeexperimenten durchgeführt wurden: (i) Bestimmung der saisonalen Dynamik der N- und P-Limitation in 4 Seen mit unterschiedlichen Seetypen und Prüfung der Vorhersagbarkeit des limitierenden Nährstoffes durch vier N:P-Verhätlnisse: Hierfür wurden alle zwei Wochen Bioassays in 4 Seen durchgeführt. In den polymiktischen Seen wurde ein Wechsel von P-Limitation im Frühling zu N-Limitation später im Jahr beobachtet,Zur Verringerung der Phytoplanktonbiomasse ist es theoretisch am effektivsten den tatsächlich limitierenden Nährstoff zu reduzieren. Allerdings wird häufig angenommen, dass die Abundanz und die N₂-Fixierung von N₂-fixierenden Cyanobakterien (Nostocales) in Folge einer Verringerung der N-Einträge zunehmen und dadurch die Bemühungen die Wasserqualität zu verbessern ineffektiv machen. Der hohe Energiebedarf der N₂-Fixierung legt nahe, dass das Licht einen Einfluss auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumen und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben hat. Dies führte zu den folgenden Zielen, für die drei Reihen von Nährstoffzugabeexperimenten durchgeführt wurden: (i) Bestimmung der saisonalen Dynamik der N- und P-Limitation in 4 Seen mit unterschiedlichen Seetypen und Prüfung der Vorhersagbarkeit des limitierenden Nährstoffes durch vier N:P-Verhätlnisse: Hierfür wurden alle zwei Wochen Bioassays in 4 Seen durchgeführt. In den polymiktischen Seen wurde ein Wechsel von P-Limitation im Frühling zu N-Limitation später im Jahr beobachtet, während der tiefe See vorwiegend durch P limitiert war. Die Möglichkeit die N und P-Limitation durch N:P-Verhältnisse in den Seen vorherzusagen wurde mit linearer Regression getestet. Alle vier N:P Verhältnisse zeigten einen signifikanten positiven Zusammenhang mit dem Reaktionsverhältnis, aber die Verhältnisse von TN:TP und DIN:TP schnitten am besten ab. N-Limitation konnte häufig und beständig nachgewiesen werden. Daher könnte die Reduktion von Stickstoff zur Verbesserung der Wasserqualität betragen. (ii) Bestimmung der Reaktion des Nostocalen Biovolumens und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben: Hierfür wurde ein Experiment mit Wasser aus dem überwiegend N-limitierten Langen See (LAN) durchgeführt. Während das Nostocale Biovolumen nicht auf eine Variierung der N-Zugabe reagierte, nahm die N₂-Fixierung bei niedriger N-Zugabe zu. Zur Quantifizierung der Kompensation durch Nostocales wurde eine Kompensationsrate (CR) berechnet. Bis zum Ende des Experimentes wurde eine CR von 36 % erreicht. Bei für den Sommer typischen Biovolumina wäre die CR allerdings wesentlich geringer. Daher könnte in polymiktischen Seen eine Verringerung der N-Einträge, sowohl die N-Konzentration, als auch das Gesamtbiovolumen des Phytoplanktons verringern, ohne das Nostocale Biovolumen zu beeinflussen. (iii) Bestimmung des Einflusses der Lichtintensität auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumens und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben: Hierfür wurde ein weiteres Experiment mit Wasser aus dem LAN durchgeführt. Während bei niedrigen und mittleren Lichtintensitäten eine Verringerung der N-Zugabe kein Effekt auf das Nostocales Biovolumen hatte, führte sie bei hohen Lichtintensitäten zu einem Anstieg des Biovolumens. Mit steigender Lichtintensität nahm der Anstieg der N₂-Fixierung in Folge der Reduktion der N-Zugabe zu. Das zeigte, dass Nostocales von ihrem Vorteil der N₂-Fixierung hauptsächlich bei hohen Lichtintensitäten profitieren.…