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

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen und Symbole

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

2. Material und Methoden
2.1 Versuchstiere
2.2 Versuchsbedingungen
2.3 Versuchsprotokoll
2.4 Verwendete Messgeräte
2.5 Bestimmung des Wachstums.
2.5.1 Versuchsaufbau
2.5.2 Versuchsdurchführung
2.6 Bestimmung des Grundstoffwechsels in vivo
2.6.1 Versuchsaufbau
2.6.2 Respirations- und Ventilationsmessungen.
2.6.3 Herzratenmessungen.
2.7 Bestimmung des Protein-, Kohlenhydrat- und Lipidgehaltes von P. platessa und C. crangon
2.7.1 Versuchsdurchführung
2.8 Auswertung
2.8.1 Wachstum
2.8.2 Grundstoffwechsel in vivo
2.8.3 Bestimmung des Protein-, Kohlenhydrat- und Lipidgehaltes
2.9 Statistik

3. Ergebnisse
3.1 Auswirkungen von Hyperkapnie auf das Wachstum von P. platessa
3.2 Auswirkungen von Hyperkapnie auf den Grundstoffwechsel von P. platessa
3.3 Auswirkungen von Hyperkapnie auf den Protein-, Kohlenhydrat- und Lipidgehalt von P. platessa
3.4 Auswirkungen von Hyperkapnie auf Kondition und Gewebeparameter von P. platessa

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

5. Zusammenfassung

6. Literaturverzeichnis

7. Anhang

Danksagung

Abkürzungen und Symbole

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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 weiter 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).

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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. (Caldeira und Wickett 2003) 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:

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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 einerSteigerung 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).

1.3 Die Scholle Pleuronectes platessa

Die Scholle Pleuronectes platessa L., auch Goldbutt genannt, gehört zu der Ordnung der Pleuronectiformes (Plattfische). Ihr Verbreitungsgebiet reicht neben Nord- und Ostsee vom Mittelmeer bis zum Atlantik (Knorr 1975). Schollen leben meist auf sandigem Grund im Bereich der Strandzone (juvenil) und bis in Tiefen von 200 m (adult) (Muus 1973). Wegen ihres bevorzugten epibenthischen Lebensstils werden sie zu den Grundfischen gezählt.

Schollen sind Meister der Tarnung. Sie haben die Fähigkeit, die Farbe ihrer Oberseite durch Chromatophore (Farbstoffzellen) in der Unterhaut dem Untergrund anzupassen, was ihnen eine effektive Tarnung ermöglicht. Bei Gefahr haben sie zusätzlich die Möglichkeit sich in den Sand einzugraben. Dabei schauen nur die Augen heraus, mit denen sie ihr gesamtes Umfeld beobachten können. Der Substrattyp stellt neben der Nahrungsverfügbarkeit und Temperatur bei Plattfischen einen der wichtigsten Faktoren ihrer Verbreitung dar (Burke et al. 1991; Rogers 1991; Jager et al. 1993; Gibson 1994; Wennhage und Pihl 1994; Abookire und Norcross 1998; Müter und Norcross 1999), da von ihm die Eingrabmöglichkeit der Scholle und die Verfügbarkeit bzw. Verbreitung ihrer Nahrungstiere abhängt. Ihre Nahrung setzt sich aus von Muscheln, Krebstieren (Crangon crangon L.) und Borstenwürmern (Polychaeten) zusammen (Knorr 1975; Basimi und Grove 1985; Køie und Kristiansen 2001; Amara et al. 2001). Sie selbst dienen Kormoranen, Seeschwalben, Seehunden, Schweinswalen und dem Menschen als Beute.

Im Wattenmeer zeigen juvenile Schollen eine tidenabhängige Wanderung (einjährige Schollen an der belgischen Küste; Thijssen et al. 1974; Kuipers 1975; Summers 1980; van der Veer und Bergmann 1986; Beyst 2002). Bei Flut wandern sie zur Nahrungssuche auf die Platen und bei abnehmendem Wasserstand (Ebbe) ziehen sich wieder in die tiefen Priele zurück. Andere Untersuchungen zeigen tägliche Wanderungen im Küstenbereich. Während der Abenddämmerung wandern sie in die flachen Bereiche zum Fressen und kehren bei Einbruch des Tages in das tiefere Wasser zurück (an der west- schwedischen Küste; Bregneballe 1961; Basimi und Grove 1985; Gibson et al. 1998). Die Futtersuche im Wattenmeer ist somit von den Tiden und an weniger exponierten Küsten von der Tageszeit (Tag/Nacht) bestimmt (Burrows 1994).

Die adulten Tiere (♀ 3. - 7. Jahr; ♂ 2. - 6. Jahr) der Nordsee laichen im Winter (Dezember bis April) in 20- 40 m Tiefe ab. Die Eier werden durch die Strömungen an die Küste geschwemmt, bis die Larven nach 17 bis 21 Tagen ausschlüpfen. Die geschlüpften Larven haben einen symmetrischen Aufbau und schwimmen aufrecht. Die Umwandlung zum Plattfisch beginnt nach 30 Tagen und ist nach eineinhalb Monaten abgeschlossen. Mit der abgeschlossenen Metamorphose beginnt für die juvenile Scholle das Bodenleben, indem sie nun auf der rechten Seite liegt und horizontal schwimmt (Knorr 1975). Etwa 80 % der Nordseeschollen finden im Wattenmeer ihre Kinderstube (Storch und Welsch 1997).

Einige Fische im Gezeitenbereich, wie wahrscheinlich auch die juvenilen P. platessa, weisen Anpassungen an sich wechselnde biotische und abiotische Faktoren auf (Bridges 1988):

- Hautatmung: O2- und CO2- Austausch findet nicht nur über die Ventilation statt, sondern kann bis zu 50 % über die Haut erfolgen (Scholle; Steffensen et al.1981)
- unter Hypoxie und Hyperoxie sind keine Herzratenänderungen zu beobachten
- Verbesserung von O2- Transport und CO2- Austausch durch spezielle Eigenschaften des Hämoglobins, wie
- einem ausgeprägter Bohr- Effekt
- eine geringe Temperatur- Empfindlichkeit
- einen temperaturabhängigen Haldane- Effekt

Die Scholle ist einer der wichtigsten Nutzfische der europäischen küstennahen Fischerei. Die Reaktion dieses Grundfisches auf eine dauerhaft erhöhte CO2- Konzentration könnte große Auswirkungen auf die Fischerei haben. Die relativ inaktive Lebensweise und geringe Größe der juvenilen Scholle machen die entsprechenden Experimente möglich. Aus diesen Gründen wurden juvenile P. platessa als Versuchstier für Untersuchung von CO2- Effekten ausgewählt.

1.4 Aufgabenstellung

In dieser Arbeit soll eine langfristige Erhöhung der CO2- Konzentration, wie sie laut Caldeira und Wickett (2003) in den nächsten 100 bis 150 Jahren im Ozean eintreten wird, simuliert werden. Die Auswirkungen von Hyperkapnie auf den Gesamtorganismus von einem für die Fischerei wichtigen Nutzfisch (Scholle P. platessa L.) sollen hier bei Langzeitinkubation untersuchen werden. Vorherige Experimente unter erhöhten CO2- Konzentrationen an Fischen zeigten verschiedene Reaktionen, wie ein reduziertes Wachstum (Crocker und Cech 1996; Fivelstad et al. 1998; Foss et al. 2003), reduzierte Nahrungsaufnahme (Crocker und Cech 1996; Foss et al. 2003), Veränderungen in der Sauerstoffversorgung (O2- Verbrauch: Randall et al. 1976; Thomas et al. 1983; Fivelstad et al.1998; Ventilation: Perry und McKendry 2001) und im Herzkreislaufsystem (Perry et al. 1999; McKendry et al. 2001). Erhöhte CO2- Konzentrationen können auch negative Auswirkungen auf die Kondition mariner Organismen haben (Fivelstad et al. 1998) oder sogar zum Tod von Eiern, Larven oder adulten Fischen führen (Grøttum und Sigholt 1996; Fivelstad et al. 1998, 1999; Kikkawa et al. 2003). Um die Effekte von Hyperkapnie auf die Scholle bestimmt zu können, werden in dieser Arbeit Prozesse wie Wachstumseffizienz, Nahrungsaufnahme, O2- Verbrauch, Ventilation, Herzrate und die Nahrungsverwertung in Bezug auf Körperzusammensetzung und Kondition unter gering erhöhten CO2- Konzentrationen betrachtet.

2. Material und Methoden

2.1 Versuchstiere

Die als Versuchstiere verwendeten juvenilen Schollen Pleuronectes platessa (0- Gruppe = dieses Jahr geschlüpft) wurden im Herbst 2005 im Niedersächsischen Wattenmeer, zwischen dem Festland (Neuharlingersiel) und der Insel Spiekeroog (Koordinaten: 53° 40 min nördliche Breite, 007° 40 min östliche Länge), mit dem Krabbenkutter „Polaris NEU 230“ gefangen (siehe Abb. 2.1.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.1.1: Fanggebiet von dem Versuchstier Pleuronectes platessa im Niedersächsischen Wattenmeer (http://www.planet-wissen.de/pics/IEPics/intro_wattenmeer_karte_g.jpg), O zeigt das genaue Fanggebiet (http://www.nordwestreisemagazin.de/wattwandern-ennen/bilder/karte- spiekeroog.gif)

Zum Fang wurde eine 7,5 m breite Baumkurre mit Rollengeschirr verwendet, deren Fangnetz eine Maschenweite von 1 cm besaß. Die Schleppdauer an den Stationen betrug zwischen 5 und 15 min und die Geschwindigkeit über dem Grund 2 bis 4 Knoten. Die Wassertemperatur betrug zwischen 15 und 17 °C und die Salinität lag bei 31 ‰.

Die Schollen wurden noch am Fangtag in das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung nach Bremerhaven transportiert. Dort wurden sie zur Vorbeugung möglicher Infektionen einer einstündigen Antibiotika Behandlung mit PenicillinStreptomycin (P [25 U/ml], S [25 µg/ml] unterzogen und anschließend in die Hälterungsbecken mit natürlichem Seewasser überführt.

Die Hälterung der Versuchstiere fand für ca. 11 Wochen in einem Temperaturkonstantraum statt, in dem ein Tag- Nacht- Rhythmus (6:30 - 18:30 Uhr) von jeweils 12 Stunden eingestellt wurde und dreimal Mal pro Woche eine Fütterung mit Muschelfleisch (Mytilus edulis) stattfand.

Die Wassertemperatur betrug während der Hälterung 21°C (+/- 1°C), der pH- Wert 8,00 (± 0,1) und die Salinität 33 ‰ (± 1 ‰).

2.2 Versuchsbedingungen

Bei allen Versuchen wurde Pleuronectes platessa unter Kontrollbedingungen (Normokapnie; [CO2] 300-500 ppm bzw. 0,04 ± 0,01 %) und Versuchsbedingungen (Hyperkapnie; [CO2] 2000-2700 ppm bzw. 0,24 ± 0,4 %) untersucht. Die genaue CO2- Konzentration des Seewassers wurde während der Versuche mit Hilfe eines Gaschromatographen (Network GC System, Agilent Technologies) bestimmt und täglich über den pH-Wert kontrolliert.

Die Kontrollbedingungen wurden mit Luft bzw. befeuchteter Druckluft und die Versuchsbedingungen mit einem über ein MKS- Gerät (Multi-Gas-Controller 647B; MKS- Instruments) eingestelltes und befeuchtetes Gasgemisch hergestellt.

2.3 Versuchsprotokoll

In der Tabelle 2.3.1 sind die drei Versuchabschnitte aufgeführt, in die die Versuche unterteilt wurden.

Tab. 2.3.1: Die drei verschiedenen Versuchsabschnitte mit jeweiliger Messdauer, Anzahl und Nummer der Versuchstiere. (Bei dem Wachstumsversuch stimmt n von Versuch und Auswertung nicht überein, da nicht alle Versuchtiere konstant an Gewicht und Länge zugenommen haben)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wachstumsanalyse wurde mit P. platessa aus der Hälterung durchgeführt. Für die Auswertung wurden nur Versuchstiere herangezogen, bei denen Gewicht und Länge während des gesamten Versuches mit konstanter Rate zugenommen hatten (Nr./Anzahl der Versuchstiere siehe Tab. 2.3.1). Bei den auserwählten Tieren kann man von einer guten Kondition bzw. einem guten Befinden ausgehen, die für eine optimale Versuchsbedingung und eine gute Aussagekraft der Ergebnisse sorgen. Ausnahmen wurden bei zwei Tieren (Nr. 18 und 48) gemacht, da deren TL- Zunahme, im Vergleich zu deren Gewichts- und SL- Zunahme, sehr hoch war.

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