Diplomarbeit im Fachbereich Biologie
Universität Bremen, Fachbereich ... 2
Alfred- Wegener- Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven

Auswirkungen erhöhter CO2- Konzentrationen
auf Wachstum und Grundstoffwechse ... l
juveniler Schollen (Pleuronectes platessa L.)

vorgelegt von: Jasmin Veronique Pahl

Bremen, im Juni 2006

INHALTSVERZEICHNIS

Inhaltsverzeichnis ... I
Abkürzungen und Symbole ... III

1. Einleitung ... 1

1.1 CO2 und der Ozean ... 1
1.2 Auswirkungen erhöhter CO2- Konzentrationen auf marine Organismen ... 3
1.3 Die Scholle Pleuronectes platessa ... 5
1.4 Aufgabenstellung ... 7

2. Material und Methoden ... 8

2.1 Versuchstiere ... 8

2.2 Versuchsbedingungen ... 9

2.3 Versuchsprotokoll ... 10

2.4 Verwendete Messgeräte ... 11

2.5 Bestimmung des Wachstums ... 12
2.5.1 Versuchsaufbau ... 12
2.5.2 Versuchsdurchführung ... 14

2.6 Bestimmung des Grundstoffwechsels in vivo ... 15
2.6.1 Versuchsaufbau ... 15
2.6.2 Respirations- und Ventilationsmessungen ... 18
2.6.3 Herzratenmessungen ... 18

2.7 Bestimmung des Protein-, Kohlenhydrat- und Lipidgehaltes von P. platessa und C. crangon ... 19
2.7.1 Versuchsdurchführung ... 19

2.8 Auswertung ... 20
2.8.1 Wachstum ... 20
2.8.2 Grundstoffwechsel in vivo ... 21
2.8.3 Bestimmung des Protein-, Kohlenhydrat- und Lipidgehaltes ... 24

2.9 Statistik ... 25

3. Ergebnisse ... 26

3.1 Auswirkungen von Hyperkapnie auf das Wachstum von P. platessa ... 26
3.2 Auswirkungen von Hyperkapnie auf den Grundstoffwechsel von P. platessa ... 30
3.3 Auswirkungen von Hyperkapnie auf den Protein-, Kohlenhydrat- und Lipidgehalt von P. platessa ... 34
3.4 Auswirkungen von Hyperkapnie auf Kondition und Gewebeparameter von P. platessa ... 35

4. Diskussion ... 36

4.1 Diskussion der verwendeten Methoden ... 36
4.2 Veränderung der Wachstumsrate bei einer langfristigen Erhöhung der CO2-Konzentration ... 37
4.3 Veränderung von Sauerstoffverbrauch und Ventilationsfrequenz bei einer langfristigen Erhöhung der CO2- Konzentration ... 41
4.4 Veränderungen des Herz- und Kreislaufsystems bei einer langfristigen Erhöhung der CO2-Konzentration ... 43
4.5 Veränderungen des Energiestoffwechsels und des Nahrungszustandes bei einer langfristigen Erhöhung der CO2- Konzentration ... 44

5. Zusammenfassung ... 46

6. Literaturverzeichnis ... 47

7. Anhang ... 56

Danksagung ... 61

1. Einleitung

1.1 CO2 und der Ozean

Seit Beginn der Industrialisierung ist in der Atmosphäre ein Anstieg der Kohlendioxid- Konzentration von 275 auf 370 ppm festzustellen (Hoffert et al. 2002), der durch die Nutzung fossiler Brennstoffe und die vermehrte Rohdung von Wäldern begründet ist (Keeling und Whorf 1998). Kohlendioxid ist neben Wasserdampf und Methan ein natürliches Treibhausgas, das durch Absorption von langwelligen Strahlen zur Erwärmung der Atmosphäre (Treibhauseffekt) beiträgt (Ott 1996). Durch die weitere Anreicherung von CO2 könnte es zur einer globalen Klimaveränderung, dem daraus folgenden Schmelzen der Polkappen und einem anschließenden Anstieg des Meeresspiegels führen (Houghton et al. 1996; Joos et al. 1999; Marland et al. 2001). Die Erderwärmung verändert die geographische Verbreitungen von Tierarten und löst das Aussterben von Tiergemeinschaften aus (Parmesan und Yohe 2003; Thomas et al. 2004). Bei der weiterhin konstanten Nutzung der fossilen Brennstoffe wird eine intensive Zunahme der CO2- Konzentration prognostiziert. Im Jahre 2100 wird laut dem IPCC IS92a Szenario ein atmosphärischer CO2- Gehalt um die 1900 ppm erwartet. Für diesen Anstieg wird eine pH- Reduktion um max. 0,77 in den oberen Schichten des Ozeans erwartet (Abb. 1.1.1; Caldeira und Wickett 2003, 2005).

(Abb. 1.1.1: Veränderung der atmosphärischen CO2- Emission, des CO2- Partialdruckes (pCO2) in der Atmosphäre und die pH- Änderung im Ozean in der Historie und in der Zukunft. - in der vollständigen Version enthalten)

Da die Atmosphäre im direkten Gasaustausch mit dem Ozean steht, kommt es auch hier zu einem Anstieg der CO2- Konzentration und zu einer Veränderung des gesamten System des gelösten anorganischen Kohlenstoffs im Ozean (DIC: dissolved inorganic carbon). Kohlendioxid ist im Meerwasser besonders gut löslich und in verschiedenen Formen als Kohlensäure (H2CO3), Bikarbonat (HCO3-), Carbonat- Ionen (CO32-) vorhanden. Die Verhältnisse der CO2- Zustände sind ausgewogen. Das Karbonatpuffersystem wird durch folgende Gleichgewichtsreaktionen beschrieben:

CO_{2 gas} + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^- ↔ H⁺ + CO₃^2-

Eine Erhöhung der CO2- Konzentration verändert das Verhältnis von Bikarbonat- zu Karbonationen. Dadurch werden Protonen abgegeben, die den pH- Wert senken. Die Folge ist eine Ansäuerung der Ozeane und eine Abnahme in der Karbonationen-Konzentration (Bolin und Erikkson 1959; Zeebe und Wolf-Gladrow 2001). Der Ozean stellt durch diese Funktion eine CO2- Senke für die Erde bzw. Atmosphäre dar. Veränderungen der CO2- Bedingungen beeinflussen jedoch die Struktur und Funktionen der marinen Ökosysteme (Shirayama 1998; Seibel und Walsh 2001; Barry et al. 2004; Kurihara et al. 2004; Pörtner et al. 2004; Pörtner et al. 2005; Review von Ishimatsu et al. 2005; Shirayama und Thornton 2005). Es werden unter anderem eine verstärkte Wachstumsrate einiger Phytonplanktonarten und eine verringerte Kalzifizierung des Planktons (Wolf-Gladrow et al. 1999; Riebesell et al. 2000) und der Korallenriffe (Kleypas et al. 1999; Gattuso et al. 1999; Langdon et al. 2003) erwartet. Um die Auswirkungen langfristig erhöhter CO2-Konzentrationen auf marine Organismen zu studieren, wurden in den vergangenen Jahren vermehrt Untersuchungen zu dieser Thematik durchgeführt (siehe Kap. 1.2). Diese dienen der realistischen Einschätzung der Folgen für den gesamten Ozean als physikalisches, chemisches und biologisches System.

Um den raschen Anstieg von CO2 in der Atmosphäre zu verhindern, wurden Maßnahmen zur CO2- Verklappung angedacht. Zum einen wird erwogen, das CO2 in flüssiger Form in so genannten CO2- Seen in der Tiefesee zu verklappen (Ohsumi 2004). Die Auswirkungen sind kaum einzuschätzen, da nur wenige Informationen über die Folgen erhöhter CO2- Werte auf marine Fische und vor allem keine Angaben über Effekte auf die Spezies der Tiefsee verfügbar sind (Ishimatsu und Kita 1999; Ishimatsu et al. 2005). Um das zusätzliche CO2 im Ozean zu neutralisieren wird der Eintrag von zusätzlichem Kalkstein (Kheshgi 1995; Caldeira und Rau 2000; Lackner 2003) diskutiert, was die Lagerzeit von CO2 erhöhen und dadurch die pH- Veränderungen minimieren soll. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Eisendüngung des Oberflächenwassers. Es resultiert ein erhöhter CO2- Verbrauch durch vermehrte Produktion von organischem Material. Letzteres wird durch Bakterien zu gelöstem anorganischem Kohlenstoff (DIC) umgewandelt (Gribbin 1988). Um eine Endscheidung über die weitere Vorgehensweise zu treffen, müssen zunächst die Effizienz und die Auswirkungen dieser Methoden untersucht werden, um weitere bzw. gravierende Schädigungen der Ozeane ausschließen zu können.

1.2 Auswirkungen erhöhter CO2- Konzentrationen auf marine Organismen

In den letzten Jahren wurden vermehrt Untersuchungen an verschiedenen marinen Organismen unter erhöhten CO2- Konzentrationen durchgeführt, um die Folge der konstant ansteigenden CO2- Konzentration der Ozeane zu beurteilen. Im Folgenden werden die derzeit bekannten Effekte auf marine Organismen, speziell Fische dargestellt.

Bei erhöhten CO2- Konzentrationen (Hyperkapnie) im Seewasser dringt das gelöste CO2 über Haut und Kiemen in den Organismus ein. Im Organismus findet eine Hydratisierung von CO2 zu Kohlensäure (H2CO3) statt, welche im Anschluss zu Bikarbonat (HCO3-) dissoziiert (Heisler 1993; Claiborne 1998). Bei dieser Reaktion werden Protonen (H+) frei, die das Säure- Base- Gleichgewicht durch Senkung der intra- und extrazellulären pH- Werte stören (Henry und Wheatly 1992). Die Erhaltung der pH- und Ionengradienten über die Zellmembranen ist ein energieverbrauchender Prozess, der alle Gewebezellen betrifft (Pörtner et al. 2000). Unter Hyperkapnie könnte die verfügbare Energie des Organismus anstatt für Prozesse, wie Wachstum und Reproduktion, für den Erhalt des Säure- Base- Gleichgewichtes verwendet werden oder unter hohen CO2- Konzentrationen sogar zum Tode des Tieres führen (Wolfsbarsch: Lemarié et al. 2000; Seewolf: Foss et al. 2003; Seeigel und Gastropoden: Shirayama und Thornton 2005). In den meisten Fischen (wie auch bei Crustacean) wird eine Azidose teilweise oder komplett durch den aktiven Transport bzw. Austausch von Na+/H+ und Cl-/HCO3- über so genannte Chloridzellen im Kiemenepithel kompensiert (Zadunaisky 1984; Heisler 1986; Claiborne et al. 2002). Unter Hyperkapnie ist eine erhöhte Konzentration von Chloridzellen festzustellen, die eine Beschleunigung der Azidosekompensation ermöglichen (Regenbogenforelle: Iwama et al.1993). Bei bisherigen Untersuchungen wurde bei einigen Fischarten eine Hyperventilation oder eine Steigerung des Schlagvolumens unter Hyperkapnie festgestellt (Review von Gilmour 2001). In den Kiemen wie auch im zentralen Nervensystem werden außerdem Chemorezeptoren, die auf CO2 und/oder pH- Wert empfindlich reagieren und somit die Kiemenventilation während Hyperkapnie erhöhen könnten, vermutet (Remmers et al. 2001; Gilmour 2001; Milsom 2002). Eine Erhöhung der Ventilation führt zu einer erhöhten Muskelaktivität und somit zu einer Steigerung der Stoffwechselrate bzw. des O2- Verbrauches. An speziellen Lebensräumen wie z.B. Gezeitentümpel, Ästuare (Diaz und Rosenburg 1995) und Tiefseequellen (Knoll et al. 1996) kommen erhöhte CO2- Konzentrationen vor. Dort kann schon seit längerem der Einfluss von Hyperkapnie untersucht werden. Die dort lebenden Organismen zeigen spezifische physiologische und biologische Anpassungen. Die Unterdrückung der Stoffwechselrate - metabolic depression - spielt bei vorübergehender Hyperkapnie eine besondere Rolle. Der Stoffwechsel wird unter den Standardstoffwechsel (Ruhestoffwechsel) gesenkt, um ein Überleben unter suboptimalen Bedingungen zu gewährleisten (Guppy et al. 1994). Beim dem Spritzwurm Sipunculus nudus, der im Sediment des Gezeitenbereiches lebt, wurde dieses Phänomen nachgewiesen (Pörtner et al. 2000; Langenbuch und Pörtner 2002). Auch durch eine CO2- induzierte respiratorische Azidose kann eine Reduktion der Stoffwechselrate erklären werden (Europ. Aal: Cruz-Neto et al. 1997).

Eine durch Hyperkapnie induzierte Azidose hat bei einigen Spezies negative chrono- (Beeinflussung der Schlagfrequenz des Herzens) und inotrope (Beeinflussung der Kontraktionsintensität des Herzens) Effekte auf das Myokard (Farrell und Jones 1992). Hyperkapnie kann auch im Organismus zu einem Stoffwechselungleichgewicht führen, welches in einer Verschiebung des Verhältnisses von O2- Verbrauch zu Stickstoff- Exkretion sichtbar wird. Verursacht wird dies durch eine Verringerung der Proteinbiosynthese (Spritzwurm: Langenbuch und Pörtner 2002).

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