Title (eng)
Autecology of Oocardium stratum Naeg. and CaCO3precipitation of autotrophic biofilms in travertine rivulets
Parallel title (deu)
Autökologie von Oocardium stratum Naeg. und CaCO3 - Ausfällung autotropher Biofilme in Travertinbächen
Author
Caroline Linhart
Advisor
Michael Schagerl
Assessor
Michael Schagerl
Abstract (deu)
Das Vorkommen der seltenen Zieralge Oocardium stratum, ist ausschließlich auf aktive Tuffstandorte beschränkt. Oocardium stratum bildet Gallertscheiden aus, an denen sich CaCO3 ablagert. Die stecknadelkopfgroßen, hellgrünen Kolonien weisen einen Durchmesser von 0.5 bis 2.0 mm auf. Da die Autökologie dieses Organismus bisher kaum erforscht war, untersuchten wir im ersten Teil unserer Studie die Saisonalität und den Einfluss von Umweltvariablen auf das Vorkommen von Oocardium stratum. Zu diesem Zweck beobachteten wir mittels wöchentlicher Mikro- und Makrokartierung die algenbewachsene Tuffoberfläche. Ebenso wurden wöchentlich die Wasserchemie und die Strahlungsbedingungen aufgenommen. Der zweite Teil der Studie beschäftigt sich mit der Sukzession von autotrophen Biofilmen, die O. stratum aufweisen, und der damit verbundenen Kalziumkarbonat-Abscheidung. Hierfür installierten wir aufgeraute Objektträger als künstliches Substrat, die zwischen 3 und 12 Wochen an den Versuchsstellen exponiert waren. Der abgekratzte Biofilm wurde anschließend auf den gesamten Chlorophyll-a Gehalt, den CaCO3-Anteil und mittels HPLC auf die Pigmentverteilung hin untersucht. Die Studie wurde an einem Quellbach in Lunz/See (Niederösterreich) über 17 Monate hinweg durchgeführt. Umweltvariablen wurden wöchentlich und im Winter 14-tägig gemessen. Biofilm und Kalziumcarbonat wurden ebenfalls 14-tägig besammelt.
Im Zuge der Autökologiestudie wurde O. stratum das ganze Jahr hindurch an der Tuffquelle gefunden. Das Vorkommen der Kolonien erreichte ein Maximum im Hochsommer während der Monate Juli und August. Wiederholte Makrokartierungen mit einer Oberfläche von 750 cm2 an drei Spots in der Travertinquelle, zeigten ein Maximum von O. stratum überzogenem Tuff im August mit einer Bedeckung von 31%. Zwei kleinere Maxima zeigten sich im Frühsommer und Spätherbst mit 10% O. stratum - Bedeckung. Dicke Matten von Diatomeen, dominiert von Cymbella minuta, zeigten sich im Frühling, Herbst und Winter mit mehr als 74% Tuffbedeckung an den untersuchten Spots. Eine Mikrokartierung mit einer Oberfläche von 25.5 mm2 wurde ebenfalls an einer Stelle der Tuffquelle durchgeführt und zeigte die gleichen Ergebnisse. Die Redundanzanalyse zeigte Wassertemperatur und Bikarbonatgehalt als treibende Hauptfaktoren an, die das Vorkommen und das Wachstum von O. stratum kontrollieren. Optimale Wachstumsbedingungen wurden bei einer Alkalinität von 4.6-4.7 mmol L-1 und einer Wassertemperatur von 13 °C beobachtet. Die Parameter Belichtung, Nitrat und Kohlendioxid zeigten einen negativen Zusammenhang zur O. stratum Biomasse, hingegen einen positiven zum Diatomeen Vorkommen. Andere Umweltvariablen wie Ionengehalt oder gelöster reaktiver Phosphor hatte keinen signifikanten Einfluss auf das Vorkommen von O. stratum.
In Quellnähe war die Niederschlagsrate von CaCO3 signifikant niedriger als an weiter quellabwärts gelegenen Untersuchungsstellen. Der Grund hierfür liegt am deutlich höheren freien CO2-Gehalt und dem niedrigeren pH- Wert in Quellnähe. Die CaCO3-Niederschlagsrate war im Sommer am höchsten. Die Menge an CaCO3 in Quellnähe war in beiden Untersuchungsjahren annähernd konstant und zeigte keine Zuwächse im zweiwöchigen Messabstand. Die quellabwärts gelegenen Untersuchungsstellen zeigten allerdings eine eindeutige positive zweiwöchig gemessene Niederschlagsrate, die von 5 - 27.5 mg cm-2 reichte. Die Chlorophyll-a Rate lag an allen Untersuchungsstellen zwischen 0.07 - 3.9 µg cm-2. Die Objektträger wurden zuerst von dicken Diatomeen-Matten besiedelt, dominiert von Cymbella minuta. Ein geringer Anteil an kokkenähnlichen Cyanobacterien konnte mikoskopisch und mittels HPLC nachgewiesen werden. Erst nachdem sich eine raue Kalkschicht niedergeschlagen hatte, war auch O. stratum auf den Objektträgern nachzuweisen. Nach etwa 6-7 Wochen waren die O. stratum-Kolonien auch makroskopisch sichtbar.
Die Verteilung der Taxa gemittelt über alle Untersuchungsstellen und Aufnahmen zeigte, dass 77% der Algenbiomasse von Diatomeen stammen, 20% konnten O. stratum zugeordnet werden und 3% der Algenbiomassen waren Cyanobacterien. Diatomeen wiesen einen negativen Zusammenhang zur CaCO3-Niederschlagsrate auf, wohingegen Cyanobacterien einen geringfügig positiven Zusammenhang zeigten und O. stratum eine stark positive Übereinstimmung mit dem CaCO3-Niederschlag anzeigte. Unsere Resultate weisen auf eine Induzierung des Kalziumkarbonatniederschlages durch O. stratum hin; eine aktive, photosynthese-getriebene Kalkabscheidung durch O. stratum ist aber auszuschließen. Biomasse von O. stratum und gefälltes Kalziumkarbonat reagieren auf den chemischen, quellabwärtsgerichteten Gradienten und auf saisonale Veränderungen parallel. Dadurch ist es schwer zu unterscheiden, ob O. stratum die Fällung von CaCO3 erhöht oder ob beide, die O. stratum Biomasse und der CaCO3-Niederschlag, hauptsächlich durch den quellabwärts gerichteten chemischen Gradienten und durch saisonale Veränderungen kontrolliert werden.
Abstract (eng)
The rare calcifying desmid Oocardium stratum occurs exclusively on active travertine habitats; the macroscopic colonies form hemispherical structures with a diameter of 0.5 to 2.0 mm. Because autecology of this organism is still poorly understood, the first part of our study focused on its seasonal development and related various environmental factors to the occurrence and biomass of Oocardium. The second central theme of the study was the succession of photoautotrophic biofilms with a special focus on Oocardium stratum. For this we installed frosted glass slides as artificial substrata, which were exposed between 3 to 12 weeks. The study was conducted in a rivulet in Lunz/See (Lower Austria) for 17 months. Environmental variables were on a weekly (growing season) to monthly (winter season) basis; biofilm and precipitated tufa were sampled biweekly.
The Autecology study resulted that Oocardium colonies were found throughout the whole year with maximum abundances during the mid summer months July and August. Repeated macromapping of three travertine spots with a size of 750 cm2 each showed a maximum Oocardium cover of 31 % in August. Two smaller maxima occurred in early summer and late autumn with about 10 % cover. Diatom mats, dominated by Cymbella minuta, occurred in spring, autumn and winter with more than 74 % of cover observed on macromapping spots. Micromapping was done at a single area covering 25.5 mm2 and revealed the same results. Redundancy analysis revealed water temperature and bicarbonate content as the main structuring factors, which control occurrence and growth of Oocardium. Optimal growth conditions appeared at an alkalinity of 4.6-4.7 mmol L-1 and water temperatures of 13 °C. Site openness, nitrate and carbon dioxide availability were inversely related to Oocardium biomass, but more connected to diatoms occurrence. Other environmental factors like total ions content or soluble reactive phosphorus had no significant influence on Oocardium stratum occurrence. The seasonal succession of Oocardium and diatom mats in limestone precipitating springs causes a typical sequence pattern of travertine layers, which can be recognised already with blank eyes. We found a significantly lower precipitation rate near the spring because of higher free CO2 amounts and higher pH levels than downstream. Precipitation was also higher in summer than in colder seasons. The biweekly precipitation of calcium carbonate near spring barely showed a positive rate. The amount of precipitated CaCO3 near spring was in both years nearly constant without a clear accession. However further downstream situated spots showed a clear positive biweekly precipitation rate, which ranged from 5 mg cm-2 up to 27.5 mg cm-2. The biweekly Chlorophyll a rate ranged at all spots from 0.07 µg cm-2 up to 3.9 µg cm-2. The colonization of the glass slides started with the growth of diatoms and after the successfully development of a constant rough travertine layer, Oocardium colonies followed. The O. stratum colonies were after 6-7 weeks macroscopically visible and its biomass was higher in summer than in autumn and spring. The diatom mats on frosted glass slides were also dominated by Cymbella minuta; only smaller amounts of coccoid Cyanobacteria could be detected. The distribution of taxa for the mean of all sites and dates showed that 77 % of the algae biomass were diatoms, 20 % could be related to O. stratum and 3% comprised Cyanobacteria. Diatoms were negatively related to precipitation, whereas Cyanobacteria were slightly positively and O. stratum biomass was strongly coinciding with carbonate precipitation. From our results, we assume an induction of carbonate precipitation by O. stratum, but no active deposition due to photosynthesis. O. stratum biomass and the amount of precipitation showed parallel reactions to downstream gradients and to the seasonal changes. We therefore could not distinguish, if O. stratum increases the precipitation or if both, precipitation and O. stratum are mainly controlled by downstream chemical gradients and seasonal changes.
Keywords (deu)
Oocardium stratumDiatomeenSukzessionPigment Analysekünstliche SubstrateTuffAlgenTravertineQuellenAlkalinität
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1275580
rdau:P60550 (deu)
89 S. : Ill., graf. Darst.
Number of pages
90
Association (deu)
Title (eng)
Autecology of Oocardium stratum Naeg. and CaCO3precipitation of autotrophic biofilms in travertine rivulets
Parallel title (deu)
Autökologie von Oocardium stratum Naeg. und CaCO3 - Ausfällung autotropher Biofilme in Travertinbächen
Author
Caroline Linhart
Abstract (deu)
Das Vorkommen der seltenen Zieralge Oocardium stratum, ist ausschließlich auf aktive Tuffstandorte beschränkt. Oocardium stratum bildet Gallertscheiden aus, an denen sich CaCO3 ablagert. Die stecknadelkopfgroßen, hellgrünen Kolonien weisen einen Durchmesser von 0.5 bis 2.0 mm auf. Da die Autökologie dieses Organismus bisher kaum erforscht war, untersuchten wir im ersten Teil unserer Studie die Saisonalität und den Einfluss von Umweltvariablen auf das Vorkommen von Oocardium stratum. Zu diesem Zweck beobachteten wir mittels wöchentlicher Mikro- und Makrokartierung die algenbewachsene Tuffoberfläche. Ebenso wurden wöchentlich die Wasserchemie und die Strahlungsbedingungen aufgenommen. Der zweite Teil der Studie beschäftigt sich mit der Sukzession von autotrophen Biofilmen, die O. stratum aufweisen, und der damit verbundenen Kalziumkarbonat-Abscheidung. Hierfür installierten wir aufgeraute Objektträger als künstliches Substrat, die zwischen 3 und 12 Wochen an den Versuchsstellen exponiert waren. Der abgekratzte Biofilm wurde anschließend auf den gesamten Chlorophyll-a Gehalt, den CaCO3-Anteil und mittels HPLC auf die Pigmentverteilung hin untersucht. Die Studie wurde an einem Quellbach in Lunz/See (Niederösterreich) über 17 Monate hinweg durchgeführt. Umweltvariablen wurden wöchentlich und im Winter 14-tägig gemessen. Biofilm und Kalziumcarbonat wurden ebenfalls 14-tägig besammelt.
Im Zuge der Autökologiestudie wurde O. stratum das ganze Jahr hindurch an der Tuffquelle gefunden. Das Vorkommen der Kolonien erreichte ein Maximum im Hochsommer während der Monate Juli und August. Wiederholte Makrokartierungen mit einer Oberfläche von 750 cm2 an drei Spots in der Travertinquelle, zeigten ein Maximum von O. stratum überzogenem Tuff im August mit einer Bedeckung von 31%. Zwei kleinere Maxima zeigten sich im Frühsommer und Spätherbst mit 10% O. stratum - Bedeckung. Dicke Matten von Diatomeen, dominiert von Cymbella minuta, zeigten sich im Frühling, Herbst und Winter mit mehr als 74% Tuffbedeckung an den untersuchten Spots. Eine Mikrokartierung mit einer Oberfläche von 25.5 mm2 wurde ebenfalls an einer Stelle der Tuffquelle durchgeführt und zeigte die gleichen Ergebnisse. Die Redundanzanalyse zeigte Wassertemperatur und Bikarbonatgehalt als treibende Hauptfaktoren an, die das Vorkommen und das Wachstum von O. stratum kontrollieren. Optimale Wachstumsbedingungen wurden bei einer Alkalinität von 4.6-4.7 mmol L-1 und einer Wassertemperatur von 13 °C beobachtet. Die Parameter Belichtung, Nitrat und Kohlendioxid zeigten einen negativen Zusammenhang zur O. stratum Biomasse, hingegen einen positiven zum Diatomeen Vorkommen. Andere Umweltvariablen wie Ionengehalt oder gelöster reaktiver Phosphor hatte keinen signifikanten Einfluss auf das Vorkommen von O. stratum.
In Quellnähe war die Niederschlagsrate von CaCO3 signifikant niedriger als an weiter quellabwärts gelegenen Untersuchungsstellen. Der Grund hierfür liegt am deutlich höheren freien CO2-Gehalt und dem niedrigeren pH- Wert in Quellnähe. Die CaCO3-Niederschlagsrate war im Sommer am höchsten. Die Menge an CaCO3 in Quellnähe war in beiden Untersuchungsjahren annähernd konstant und zeigte keine Zuwächse im zweiwöchigen Messabstand. Die quellabwärts gelegenen Untersuchungsstellen zeigten allerdings eine eindeutige positive zweiwöchig gemessene Niederschlagsrate, die von 5 - 27.5 mg cm-2 reichte. Die Chlorophyll-a Rate lag an allen Untersuchungsstellen zwischen 0.07 - 3.9 µg cm-2. Die Objektträger wurden zuerst von dicken Diatomeen-Matten besiedelt, dominiert von Cymbella minuta. Ein geringer Anteil an kokkenähnlichen Cyanobacterien konnte mikoskopisch und mittels HPLC nachgewiesen werden. Erst nachdem sich eine raue Kalkschicht niedergeschlagen hatte, war auch O. stratum auf den Objektträgern nachzuweisen. Nach etwa 6-7 Wochen waren die O. stratum-Kolonien auch makroskopisch sichtbar.
Die Verteilung der Taxa gemittelt über alle Untersuchungsstellen und Aufnahmen zeigte, dass 77% der Algenbiomasse von Diatomeen stammen, 20% konnten O. stratum zugeordnet werden und 3% der Algenbiomassen waren Cyanobacterien. Diatomeen wiesen einen negativen Zusammenhang zur CaCO3-Niederschlagsrate auf, wohingegen Cyanobacterien einen geringfügig positiven Zusammenhang zeigten und O. stratum eine stark positive Übereinstimmung mit dem CaCO3-Niederschlag anzeigte. Unsere Resultate weisen auf eine Induzierung des Kalziumkarbonatniederschlages durch O. stratum hin; eine aktive, photosynthese-getriebene Kalkabscheidung durch O. stratum ist aber auszuschließen. Biomasse von O. stratum und gefälltes Kalziumkarbonat reagieren auf den chemischen, quellabwärtsgerichteten Gradienten und auf saisonale Veränderungen parallel. Dadurch ist es schwer zu unterscheiden, ob O. stratum die Fällung von CaCO3 erhöht oder ob beide, die O. stratum Biomasse und der CaCO3-Niederschlag, hauptsächlich durch den quellabwärts gerichteten chemischen Gradienten und durch saisonale Veränderungen kontrolliert werden.
Abstract (eng)
The rare calcifying desmid Oocardium stratum occurs exclusively on active travertine habitats; the macroscopic colonies form hemispherical structures with a diameter of 0.5 to 2.0 mm. Because autecology of this organism is still poorly understood, the first part of our study focused on its seasonal development and related various environmental factors to the occurrence and biomass of Oocardium. The second central theme of the study was the succession of photoautotrophic biofilms with a special focus on Oocardium stratum. For this we installed frosted glass slides as artificial substrata, which were exposed between 3 to 12 weeks. The study was conducted in a rivulet in Lunz/See (Lower Austria) for 17 months. Environmental variables were on a weekly (growing season) to monthly (winter season) basis; biofilm and precipitated tufa were sampled biweekly.
The Autecology study resulted that Oocardium colonies were found throughout the whole year with maximum abundances during the mid summer months July and August. Repeated macromapping of three travertine spots with a size of 750 cm2 each showed a maximum Oocardium cover of 31 % in August. Two smaller maxima occurred in early summer and late autumn with about 10 % cover. Diatom mats, dominated by Cymbella minuta, occurred in spring, autumn and winter with more than 74 % of cover observed on macromapping spots. Micromapping was done at a single area covering 25.5 mm2 and revealed the same results. Redundancy analysis revealed water temperature and bicarbonate content as the main structuring factors, which control occurrence and growth of Oocardium. Optimal growth conditions appeared at an alkalinity of 4.6-4.7 mmol L-1 and water temperatures of 13 °C. Site openness, nitrate and carbon dioxide availability were inversely related to Oocardium biomass, but more connected to diatoms occurrence. Other environmental factors like total ions content or soluble reactive phosphorus had no significant influence on Oocardium stratum occurrence. The seasonal succession of Oocardium and diatom mats in limestone precipitating springs causes a typical sequence pattern of travertine layers, which can be recognised already with blank eyes. We found a significantly lower precipitation rate near the spring because of higher free CO2 amounts and higher pH levels than downstream. Precipitation was also higher in summer than in colder seasons. The biweekly precipitation of calcium carbonate near spring barely showed a positive rate. The amount of precipitated CaCO3 near spring was in both years nearly constant without a clear accession. However further downstream situated spots showed a clear positive biweekly precipitation rate, which ranged from 5 mg cm-2 up to 27.5 mg cm-2. The biweekly Chlorophyll a rate ranged at all spots from 0.07 µg cm-2 up to 3.9 µg cm-2. The colonization of the glass slides started with the growth of diatoms and after the successfully development of a constant rough travertine layer, Oocardium colonies followed. The O. stratum colonies were after 6-7 weeks macroscopically visible and its biomass was higher in summer than in autumn and spring. The diatom mats on frosted glass slides were also dominated by Cymbella minuta; only smaller amounts of coccoid Cyanobacteria could be detected. The distribution of taxa for the mean of all sites and dates showed that 77 % of the algae biomass were diatoms, 20 % could be related to O. stratum and 3% comprised Cyanobacteria. Diatoms were negatively related to precipitation, whereas Cyanobacteria were slightly positively and O. stratum biomass was strongly coinciding with carbonate precipitation. From our results, we assume an induction of carbonate precipitation by O. stratum, but no active deposition due to photosynthesis. O. stratum biomass and the amount of precipitation showed parallel reactions to downstream gradients and to the seasonal changes. We therefore could not distinguish, if O. stratum increases the precipitation or if both, precipitation and O. stratum are mainly controlled by downstream chemical gradients and seasonal changes.
Keywords (deu)
Oocardium stratumDiatomeenSukzessionPigment Analysekünstliche SubstrateTuffAlgenTravertineQuellenAlkalinität
Subject (deu)
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