Inorganic carbon acquisition of marine phytoplankton with emphasis on selected diatom species [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Scarlett Trimborn

Scarlett Trimborn

Description

INORGANIC CARBON ACQUISITION OF MARINE PHYTOPLANKTON WITH EMPHASIS ON SELECTED DIATOM SPECIES Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. - am Fachbereich 2 (Biologie/Chemie) der Universität Bremen vorgelegt von Scarlett Trimborn Bremen, Januar 2008 DANKSAGUNG Vor allem möchte ich mich bei Björn Rost bedanken! Danke für Deine unschätzbar guten Ratschläge jedweder wissenschaftlicher Art, Deinem unwahrscheinlich ansteckenden Enthusiasmus für MIMS & more und Dein unendliches Vertrauen, das Du nun schon seit vielen Jahren in mich gesetzt hast. Besonders bedanke ich mich dafür, dass wir es immer wieder geschafft haben, ein Leben neben der Arbeit miteinander zu vereinbaren! Ein besonderer Dank geht an Dieter Wolf-Gladrow, der stets ein offenes Ohr für seinen IM hatte, immer bei Bedarf zur Verfügung stand und mir stets in allen Dingen freien Lauf ließ. I thank Philippe Tortell to providing me the wonderful experience to participate in an Antarctic research cruise! Lots of thanks for your support especially at the end of this thesis! Besonders bedanken möchte ich mich bei Geraldo, der besonders in Krisensituationen stets zur Seite stand. Besonders hervorzuheben sind Deine wunderbar philosphisch angehauchten Kommentare und Deine unendliche Hilfsbereitschaft, die sicherlich unabdingbar für diese Arbeit waren!

Sujets

• Biologie

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• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 88
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

I

NORGANIC CARBON ACQUISITION OF MARINE PHYTOPLANKTON WITH EMPHASIS

ON SELECTED DIATOM SPECIES

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktors der Naturwissenschaften

- Dr. rer. nat. -

am Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)

der Universität Bremen

vorgelegt von

Scarlett Trimborn

Bremen, Januar 2008

SAGUNGANKD

ch bei Björn Rost bedanken! Danke für Deine unschätzbar guten Vor allem möchte ich mi

Ratschläge jedweder wissenschaftlicher Art, Deinem unwahrscheinlich ansteckenden

Enthusiasmus für MIMS & more und Dein unendliches Vertrauen, das Du nun schon seit

vielen Jahren in mich gesetzt hast. Besonders bedanke ich mich dafür, dass wir es immer

t miteinander zu vereinbaren! wieder geschafft haben, ein Leben neben der Arbei

Ein besonderer Dank geht an Dieter Wolf-Gladrow, der stets ein offenes Ohr für seinen IM

mir stets in allen Dingen freien Lauf ließ. bei Bedarf zur Verfügung stand und hatte, immer

I thank Philippe Tortell to providing me the wonderful experience to participate i an n

earch cruise! Lots of thanks for your support especially at the end of this thesis! Antarctic res

Besonders bedanken möchte ich mich bei Geraldo, der besonders in Krisensituationen stets

bar philosphisch angehauchten zur Seite stand. Besonders hervorzuheben sind Deine wunder

e und Deine unendliche Hilfsbereitschaft, die sicherlich unabKommentardingbar für diese

Arbeit waren!

Einen ganz lieber Dank geht an Klaus-Uwe, der besonders mit seiner Unterstützung in

technischen Fragen noch jedes Problem gelöst hat und unermüdlich zum Gelingen dieser

Arbeit beigetragen hat.

Besonders möchet ich mich bei Silke bedanken, die immer wieder anregende Ideen hatte.

e rengel, die durch ihre gute Laune und dipEin besonders liebes Dankeschön geht an Miss S

iszusammen durchlebten Kaffeepausen, sei es be pielsweise neben der MIMS, immer wieder

n führte und zum lebenswichtigen Bestandteil für die Höhen und krampfungezu Bauchver

Tiefen dieser Doktorarbeit waren!

Ein herzlichster Dank an Anja, die sich immer wieder in die Tiefen der Karbonatchemie

eingearbeitet hat! Ein großer Dank auch an Gernot mit jeglicher Hilfe sei es am SEM, dem

Proben in Utrecht oder auch Fragen zu Bereitstellen von Messmöglichkeiten der DIC

Omega und Co.

h für das unermüdliche Unterstützen beim Umsetzen der Stammkulturen. Beate,cIna danke ich besonders in der Endphase als Tina und Kerstin danke ich, dass sie si auch sämtlichen llt haben. Gedankt seiStammkulturenmütter zur Verfügung gestechaft bei anstehenden Fragen. Mitgliedern der Kohlenstoffgruppe für die große Hilfsbereits etigen Abhilfe int vergessen, in der sAndreas für seine große Hilfsbereitschaft und nicht zue ich für seinen Enthusiasmus bei der kder Beschaffung von Apex Vials! Philipp danAushilfe bei anstehenden Fragen zum Südozean. I thank Nina Lundholm for carrying out such a successful experiment! I especially want to mer! t teamwork and the exciting soccer games on the Pale excellenthank Chris Payne for thI thank YingYu for a good collaboration! Lots of thanks to Lis for your help to proof-read pt! the manuscri auch Sonja für das überaus nette zusammenverbrachte WG-Leben mit den Gedankt seienden, Birti für lange und lustige Erörterungsnächte, Eva für den vielen langen Rotweinab ugelfischen für ihr freundliches Gemüt,steten Anstoß zum sportlichen Ausgleich, den K

a, Fre, dass Du Dich getraut hast, in meiner çDelphine, je te remercie simplement comme chreibphase mit mir das Büro zu teilen. Gedankt sei auch den Rheinländer, die Zusammensimmer wieder einen wichtige moralische Unterstützung waren. lerletzt, aber dafür ganz besonders danke ich meinem herzallerliebsten Zwar zu alGrafikdesigner überhaupt für’s Dasein, Deiner unendlicher Geduld besonders in der zwischen Arbeit und einem Leben fern nd für das perfekte ZusammenspielEndphase udavon!

ABLT E OF CONTENT

15

30

33

39 51

Page: 1 UMMARY1 S 7 NFASSUNGUSAMMEZ2 3 GENERAL INTRODUCTION 15
3.1 ECOLOGICAL ROLE OF DIATOMS AND COCCOLITHOPHORES 17
19 ATE SYSTEMEAWATER CARBON3.2 S3.3 INORGANIC CARBON ACQUISITION OF MARINE PHYTOPLANKTON 22
3.4 OUTLINE OF THE THESIS 30
4 PUBLICATIONS 33
35 ONSIST OF PUBLICATI4.1 L4.2 DECLARATION ON THE CONTRIBUTION OF EACH PUBLICATION 37
I EFFECT OF VARYING CALCIUM CONCENTRATIONS AND LIGHT INTENSITIES 39
ON CALCIFICATION AND PHOTOSYNTHESIS IN EMILIANIA HUXLEYI
II INORGANIC CARBON ACQUISITION IN POTENTIALLY TOXIC AND NON-TOXIC 51
INDUCED CHANGES IN CARBONATE pH- THE EFFECT OF :DIATOMS CHEMISTRYIII THE EFFECT OF pCO2 ON THE CARBON ACQUISITION AND ASSIMILATION IN 69
E DIATOMSFOUR MARINIV THE CO2 SENSITIVITY OF SOUTHERN OCEAN PHYTOPLANKTON 111
5 GENERAL DISCUSSION 127
5.1 COMPONENTS OF CARBON ACQUISITION MECHANISMS AND THEIR 129
L RELEVANCEECOLOGICA5.2 FROM THE LABORATORY TO THE FIELD: OCEAN ACIDIFICATION AND ITS 136
OF MARINE DIATOMSYIMPACT ON THE ECOLOG139 ERSPECTIVES FOR FUTURE RESEARCH5.3 P 143 EFERENCESR6

69

127 129 136 139

1 S

UMMARY

- 1 -

- 2 -

1

SUMMARY

) acquisition in marine phytoplankton with This study investigates the inorganic carbon (Cie of calcification in the photosynthetic emphasis on selected diatom species and the rol. Observations from laboratory Emiliania huxleyisition of the coccolithophore carbon acquiinto the efficiency and regulation of carbon livered new insights eand field experiments dconcentrating mechanisms (CCM) in diatoms in response to varying seawater carbonate
chemistry. The main motivation for the experiments was to examine the role of carbon acquisition in phytoplankton ecology and to assess the potential effects of elevated CO2 on
marine diatoms. , a multiseriesPseudo-nitzschiThe CCM of the four bloom-forming diatom species, Eucampia zodiacus, Skeletonema costatum, Thalassionema nitzschioides and the three non-bloom-
forming species Thalassiosira pseudonana, Nitzschia navis-varingica, and Stellarima stellaris has been
/pH-induced changes in seawater carbonate chemistry by characterised in response to CO2 T. pseudonanameans of membrane inlet mass spectrometry (MIMS). With the exception of increased with , extracellular carbonic anhydrase (eCA) activitiesN. navis-varingicaand decreasing CO2 supply in all investigated diatoms. Half-saturation concentrations (K1/2) for
evolution in the examined diatoms were generally significantly lower than photosynthetic O2 KM (CO2) of Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RubisCO) in diatoms,
indicating the operation of a highly efficient CCM. When exposed to low carbon supply,K1/2species, demonstrating CO values for photosynthetic O2-dependent regulation of CCMs in diatoms. evolution generally decreased in the investigated diatom
2In terms of carbon source, all species took up both CO2 and HCO3-. Despite these
uptake kinetics differed strongly among species. With respect to the preferred similarities, CiCi source, the contribution of HCO3- to net fixation was more than 80% in S. stellaris, E.
zodiacus and S. costatum (‘HCO3- users’), while it was about 50% in P. multiseries, T. nitzschioides
and T. pseudonana and only ~30% in N. navis-varingica (‘CO2 user’). The comparison of
bloom-forming and non-bloom-forming diatoms revealed that diatoms generally have a high uptake plasticity in terms of the preferred carbon source and the degree of regulation in Cienables this group to adjust the rates of CiIn the current study a strong correlation between high eCA activity and predominant uptake to the actual Ci availability.
HCO3- uptake as well as lacking eCA activity in cells predominantly taking up CO2 was
e general notion that eCA functions to found. These observations call into question th to the uptake systems at high pH. To explain this apparent contradiction, aprovide CO2

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UMMARYS

-recycling mechanism is proposed. According to this, the novel role for eCA acting as Cipresence of eCA in ‘HCO3- users’ such as S. stellaris serves to recycle CO2 by converting the
CO2 leaking out of the cell to HCO3- that is subsequently taken up by HCO3- transporters.
For ‘CO2 users’ such as N. navis-varingica, the absence of eCA may cause the CO2 leaking out
of the cell to be prevented from fast conversion to HCO3- and a disequilibrium at the cell
is transported in turn increases the probability that the COsurface persists. Elevated CO22 transport systems. It is concluded that the presence or absence of back into the cell via CO2eCA allows for a more efficient Ci-recycling in ‘HCO3-‘ and ‘CO2 users’, respectively.
It is a common notion that ‘HCO3- users’ have a competitive advantage over ‘CO2