Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4217 Isotopenzusammensetzung von Schalen und Zellgewebe von Kieselalgen aus stationären Kulturen unter verschiedenen Temperatur-, Beleuchtungs- und Nährstoffbedingungen
-Schlussfolgerungen für die Interpretation von Sauerstoffisotopen biogener Silikate aus
Sedimenten als Proxies von Umweltvariationen
Kowalczyk, Krystyna
The isotopic composition of valves and organic tissue of diatoms grown in steady state cultures under varying conditions of temperature, light and nutrients - Implications for the interpretation of oxygen isotopes from sedimentary biogenic opal as proxies of environmental variations
160 S., 2006
Im vorliegenden Fall wurde entschieden, mit dem Einsatz stationärer Algenkulturen einen möglichen
Zusammenhang zwischen Sauerstoffisotopenvariationen und verschiedenen Umweltgrößen zu
erarbeiten. An Hand der Arbeit sollte überprüft werden, ob verschiedene Diatomeenarten unter
gleichen Bedingungen gleiche Sauerstoffisotopenverhältnisse aufweisen (Artabhängigkeit), ob
Variationen der Wassertemperatur zu Veränderungen des Isotopenverhältnisses führen
(Temperaturabhängigkeit), ob Variationen der Lichtintensität und Nitratkonzentration (Nährstoffe) zu
Veränderungen des Isotopenverhältnisses führen, und ob gewisse biologische Prozesse (z.B.
Wachstumsrate) zu Abweichungen vom rein physikalischen Isotopenaustausch führen können.
Die Versuchsreihen mit den Diatomeen wurden in zwei Fermentern durchgeführt. Um die
Versuche durchzuführen, mußte eine Beleuchtungseinheit mit natürlichem Lichtspektrum konstruiert
werden. Für die Untersuchungen wurden zwei Diatomeenstämme ausgewählt, die sich morphologisch
unterscheiden. Dies waren: Fragilaria crotonensis aus der Ordnung Pennales und Cyclotella
meneghiniana aus der Ordnung Centrales. Die Experimente wurden bei den Temperaturen: 9, 12, 15, 18, 21 und 24°C durchgeführt. Zunächst wurde der Einfluss verschiedener Nitratkonzentrationen im Medium (10.5, 21, 52.5 und 105 mg/l) auf das Verhalten der Diatomeen überprüft. Außerdem wurden Versuche bei verschiedenen Lichtintensitäten (200, 500, 1100 und 1700 µmol Photonen m-2s-1) durchgeführt.
Auf Grund der Ergebnisse wurde für beide Arten ein Zusammenhang zwischen dem
Isotopenwert des Opalsauerstoffs und der Wassertemperatur gefunden. Dabei hat sich gezeigt, dass
die Temperaturkoeffizienten nicht artabhängig sind. Für Fragilaria crotonensis wurde im
Temperaturbereich von 15-24°C ein Temperaturkoeffizient von ˜ -0.28 ‰/°C ermittelt. Für Cyclotella
meneghiniana, ergab sich mit einer Wachstumsrate von 0.34 d-1 im Temperaturbereich 15-21°C, ein
Temperaturkoeffizient von ˜ -0.27 ‰/°C. Dieselbe Art, lieferte bei einer Wachstumsrate von 0.2 d-1 im
Temperaturbereich 9-18°C, ebenfalls einen Temperaturkoeffizienten von ˜ -0.27 ‰/°C.
Die Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Nitratkonzentrationen zeigte keine
Änderung der Sauerstoffisotopenfraktionierung im biogenen Opal. Der Befund ist von großer
Bedeutung für Rekonstruktionen der Wassertemperatur mittels der Sauerstoffisotopenverhältnisse von
Diatomeenschalen die aus verschiedenen Seen gewonnen werden. Denn verschiedene Seen werden
sich normalerweise in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden.
Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass verschiedene Lichtintensitäten die Sauerstoffisotopenfraktionierung
während des Schalenaufbaus signifikant beeinflussen, allerdings ist der Effekt nicht
sehr groß. Der Lichtkoeffizient (f) beträgt ˜ 0.05 ‰/100µmol Photonen m-2s-1. Der Effekt der Lichtintensität ist gegenläufig zum Temperatureffekt, und führt offensichtlich zu einer Dämpfung des Isotopensignals. Änderungen der Lichtintensität sollten also bei der Interpretation der Sauerstoffisotopenverhältnisse vom Kieselalgenopal berücksichtigt werden.
Die in dieser Studie entdeckten speziesspezifischen Effekte beziehen sich auf die
Absolutwerte der Fraktionierung, haben jedoch keinen Einfluss auf die Temperaturkoeffizienten, welche speziesunabhängig sind. Die untersuchten Diatomeenarten waren also durch verschiedene Fraktionierungswerte charakterisiert. Offensichtlich spielt die Wachstumsrate bei der Fraktionierung eine entscheidende Rolle.
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