Algorithmus zur Berechnung der Cladocera-Biomasse
Albert KeimEinleitung
Die Berechnung der Zooplankton-Biomasse in einem See ist in der Gewässerökologie von großem Interesse. Ein Teil des Zooplanktons, insbesondere Wasserflöhe der Gattung Daphnia, wirken als Schalter zwischen den Parametern der Nährstoffversorgung (bottom-up) und des Tierbestands (top-down). Es können von beiden Seiten Auswirkungen auf die Daphnienpopulation auftreten. Daher ist es sehr wichtig, die tatsächliche Population zu ermitteln. Niemand kann mir sagen, wie viele Wasserflöhe in einem Kubikmeter Seewasser vorhanden sind. Ich möchte das Wort Standard nicht verwenden. Dieser Begriff sollte auf akzeptierte Maßeinheiten wie den Urmeter in Paris oder fundamentale Konstanten beschränkt sein. Jede Aussage über die Anzahl der Wasserflöhe oder ihre Biomasse in Gewicht kann nur eine Annäherung sein.
Daher ist es schwierig, eine signifikante Korrelation zwischen der Größe der Zooplanktonbiomasse und anderen Parametern herzustellen. Maier und Stich (2012) zeigen in ihrem Paper „Projekt Zooplankton – Länge, Volumen, Masse“ auf Seite 30 in Abbildung 21 solche Versuche für Korrelationen zwischen der nicht näher aufgeschlüsselten Zooplanktonbiomasse und den Parametern Secchitiefe, Gesamtphosphor, Chlorophyll-a und dem biologischen Volumen des Phytoplanktons. Die Autoren verzichten dabei auf die Regressionsberechnung und stellen lediglich eine vermeintliche Regressionskurve vor. Aus Untersuchungen mehrerer Limnologen ist jedoch bekannt, dass Daphnienarten auf Phosphor als limitierenden Faktor für das Wachstum angewiesen sind (Hessen 1992; Schindler et al. 1993; Elser et al. 2001; Plath & Boersma 2001). Ich darf fragen, warum keine signifikante Berechnung durchgeführt wird. Eine Ausnahme ist das zitierte Papier von Hanson und Peters (1984). Diese Berechnung ist jedoch auf Daten <200μg l-1-1 TP beschränkt und ich vermisse weitere Beiträge anderer Ökologen. Anhand meiner eigenen Ergebnisse aus dem Buchtzigsee kann ich zeigen, dass es für Teile der Daphnien möglich ist, eine Korrelation mit dem Gesamtphosphor auf einem signifikanten Niveau zu berechnen. Sofort wird die Frage gestellt, warum Ausnahmen bzw. Sortimente in diesem Zusammenhang erforderlich sind. Dies liegt an der Gestaltung zukünftiger Untersuchungen betreffend der Arbeitsgeräte und der Wirkungen des Badebetriebes im Hochsommer. Bevor ich mit der Gestaltung beginne, sollte ich mir vorstellen, wie ich eine ausreichende Genauigkeit meiner Daten erreichen kann. Ich konzentriere mich auf die Methodik. Zu diesem Zweck wiederhole ich einiges Know-how über Zooplankton, das bereits auf meiner Homepage steht.
Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit in der Netzmündung bestehen von der Mitte zum Rahmen der Netzmündung hin, insbesondere bei konischen Netzen. Zusätzlich gibt es in der Mitte eines Netzes mit Zügeln eine Zone der Turbulenz und der reduzierten Geschwindigkeit (Tranter & Heron 1967). Brander et al. (1983) fanden unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten in der Netzmündung. Laut Evans und Sell (1985) verursacht eine Maschenweite von 76 μ einen hohen Widerstand gegen das einströmende Wasser. Stich, Maier und Hoppe (2010) erwähnen die verstopfende Wirkung der Maschenweite auf das Phytoplankton. Die Verstopfung der Netzmaschen hat einen unvorhersehbaren Einfluss auf den Wassereinstrom in das Netz und damit auf die Filterleistung. Aus diesen Gründen sind alternative Methoden für den Netzzug erwünscht. Während Nayer (2002) keine Unterschiede zwischen Planktonprobennahme per Netz und Pumpe feststellte, bevorzugen Møhlenberg (1987), Riccardi (2010) und Chick et al. (2010) die Pumpe für die Planktonprobennahme. Møhlenberg (1987) rechnet mit einer zuverlässigen Messung des gefilterten Wasservolumens ohne Verstopfung der Netzmaschen und der Tiefe des beprobten Wassers. Møhlenberg (1987) und Riccardi (2010) haben in Küstengewässern Proben genommen, Chick et al. (2010) an einem Fluss. Seit den Untersuchungen von Elster (1958) an einem See zur Planktonprobennahme per Pumpe gab es viele Änderungen in der Pumpentechnik. In Mitteleuropa wurden diese technischen Verbesserungen jedoch vernachlässigt und deutsche Gewässerökologen hielten am vertikalen Netzzug fest. In den 80er Jahren habe ich auf Ichthyoplankon-Kreuzfahrten im Meer mitgearbeitet und kenne die Literatur, in der die Schwächen und Wirksamkeit von Netzkonstruktionen diskutiert wird. Auf einem See in Mitteleuropa benötige ich für die Probenentnahme von Zooplankton, insbesondere Daphnien, eine Maschenweite von 100 μ. Dies bedeutet ein Verstopfungsrisiko während des Netzzugs und folglich eine hohe Streuung der gesammelten Daten. Aus diesem Grund bin ich 1993 für meine Zooplanktonproben auf die Pumpentechnologie umgestiegen.
Berechnungen
Messungen der Zeit in Sekunden für das Füllen eines Eimers mit einer 10-Liter-Markierung 1 m Tiefe 3 m Tiefe
| 1 m Tiefe | 3 m Tiefe |
| 11,66 s | 11,1 s |
| 12,08 s | 11,32 s |
| 11,44 s | 11,82 s |
| Arithmetisches Mittel: 11,727 s | Arithmetisches Mittel: 11,41 s |
Arithmetisches Mittel: 11.727 s Arithmetisches Mittel: 11.413 s
Zur Zooplankton-Probenahme wurde Wasser von einer Pumpe über ein Rohrsystem angesaugt. Das gepumpte Wasser wurde über einen Schlauch in ein Netz mit 100 μ Maschenweite geleitet. Die Rohre wurden im Baumarkt gekauft. Jedes Rohr war zusammengesteckt einen Meter lang. Pro Meter Tiefe wurde ein Rohr verwendet. Die Netzmündung befand sich oberhalb der Wasseroberfläche, der Hauptteil des Netzes wurde unterhalb der Wasseroberfläche gehalten. Der Wasserstrahl der Pumpe spülte die Netzwände und ein Verstopfen des Netzes wurde vermieden. Jeder Pumpvorgang dauerte fünf Minuten, gemessen mit einer Stoppuhr. Vor dem Abfüllen der Probe wurden die Netzwände durch den Wasserstrahl der Pumpe nach außen gespült. Das Zooplankton wurde in Flaschen abgefüllt und in eine Kühlbox gestellt.
Tabelle B: Berechnung des gefilterten Wasservolumens
10 Liter * 300 Sekunden/11,727 = 255,82 Liter;
10 Liter * 300 Sekunden/11,413 = 262,86 Liter.
Da diese Mischprobe mit einem Meter Abstand aus dem Tiefenbereich 1-4 m entnommen wurde, beide Volumina aus der Eimerfüllung, musste ich diese verdoppeln und anschließend aufsummieren: 255,82*2= 511,64 und 262,86*2=525,72. Die Summe der beiden Messungen bezogen auf die Zeit ergibt 1037,36 Liter gefiltertes Wasser. Die Probe wurde am selben Tag im Labor mit 4 % Formol konserviert.
Zur Aufarbeitung wurde die konservierte Probe gewässert, um das Formol zu entfernen und in einen Glaszylinder zu 100 ml gefüllt. Mittels einer Kolbenpipette wurde zweimal je ein Milliliter entnommen und unten unter dem Binokular bei zehnfacher Vergrößerung gezählt. Beide Zählungen ergaben 180 bzw. 187 Zooplanktonexemplare. Durchschnittlich befanden sich 183,5 Exemplare in einem Milliliter, was für die gesamte Probe hochgerechnet 18350 Exemplare ergibt. Von der gut vermischten Probe wurden Tropfen auf einen mit einem Deckglas versehenen Objektträger gegeben und bei hundert- bzw. vierhundertfacher Vergrößerung die Organismen identifiziert, die Länge mit einem Okular gemessen und als Strichliste gezählt. Aus diesen Ergebnissen wurde eine Tabelle erstellt, die in BuZooJli05.xls als Tabelle 1 aufgeführt und hier als Tabelle C eingefügt wurde.
Tabelle C: Artenliste des Zooplanktons mit Angaben zu den Zahlen unter dem Mikroskop und deren Umrechnung in Prozent. Zooplankton Juli 2005 1-4 m
| Cycl. | 133 | 100 | 285 | 46,66666667 | 46,7 |
| Nauplien | 4 | 100 | 285 | 1,403508772 | 1,4 |
| Diaptomiden | 6 | 100 | 285 | 2,105263158 | 2,1 |
| D. galeata | 84 | 100 | 285 | 29,47368421 | 29,5 |
| D. cucullata | 37 | 100 | 285 | 12,98245614 | 13 |
| Keratella qu. | 3 | 100 | 285 | 1,052631579 | 1 |
| Kellicottia l. | 13 | 100 | 285 | 4,561403509 | 4,6 |
| Polyarthra m. | 6 | 100 | 285 | 1,754385965 | 1,7 |
| Summe | 285 | 100 | 100 |
Tabelle C: Artenliste des Zooplanktons mit Angaben zu den Zahlen unter dem Mikroskop und deren Umrechnung in Prozente. Links stehen die Namen der identifizierten und gezählten Zooplanktonorganismen. Der Vorgang der Identifizierung, Messung und Zählung wurde mehrmals wiederholt, bis mehr als zweihundert Planktonorganismen gezählt waren. In diesem Beispiel betrug die Gesamtzahl 285 Exemplare. Mithilfe des Dreisatzes wurden die Prozentsätze der einzelnen Planktonorganismen berechnet. Die gerundeten Prozentsätze stehen rechts. Die mit dem Okular ermittelten Messwerte wurden in eine Excel-Datei in Tabelle 2 übertragen. Die Längen wurden mit dem Faktor für das Okular in Mikron (μ) bestimmt. Aus diesen Längendaten wurden arithmetisches Mittel, Median und Standardabweichung berechnet. Die Berechnung der Biomasse als Trockengewicht erfolgte für Daphnia galeata in Tabelle 7 und für Daphnia cucullata in Tabelle 8 von BuZooJli05.xls. In der Mitte ist die Berechnung des Trockengewichts mit der Formel und rechts sind die berechneten Trockengewichte für jede Zooplanktonprobe aufgeführt. Die Anzahl und die Summe der berechneten Trockengewichte sind unten aufgeführt. Die Formel für die Berechnung lautet
Weight (W) = a*Lengthb W=9.5*10-8 L2.56
Gewicht (W) = a*Längeb W=9.5*10-8 L2.56
Die Ergebnisse sind 75 als Zahl, 463,98 µg als Summe, und 6,18 µg als durchschnittliches Trockengewicht für Daphnia galeata. Daphnia cucullata ist etwas kleiner und 34 in der Zahl, 145,77 µg als Summe, und 4,287 µg Trockengewicht im Durchschnitt. Die Prozentzahl für die Wasserflöhe ist 29,47 % for D. galeata und 12,98 % für D. cucullata entsprechend der Tabelle C.
Die Gesamtzahl von D. galeata in der Probe wird berechnet als:
18350*29.47/100 = 5407.745 Individuen für D. galeata
Durchschittsgewicht * Zahl = Biomasse als Trockengewicht
6.1864*5407.745 = 33454.47367 µg Trockengewicht in der gesamten Probe.
Das Trockengewicht in einem Liter bezogen auf D. galeata beträgt:
33454.47367/1037.36 = 32.25 µg l-1.
Die Berechnungen für D. cucullata werden in der gleichen Weise durchgeführt. Die Gesamtzahl von D. cucullata in der Probe ist berechnet als
18350*12.98/100 = 2381.83 Individuen von D. cucullata
Dumont et al. (1975) geben keine Formel für D. cucullata. Deshalb benutze ich für diese Art die gleiche Formel wie für D. galeata.
Die Gesamtzahl von D. galeata in der Probe wird berechnet als:
18350*29.47/100 = 5407.745 Individuen für D. galeata
Durchschittsgewicht * Zahl = Biomasse als Trockengewicht
4.2874*2381.83 = 10211.85794 µg Trockengewicht in der gesamten Probe.
Das Trockengewicht in einem Liter bezogen auf D. cucullata beträgt:
10211.85794/1037.36 = 9.84µg l-1.
Diskussion
Das Okular meines Mikroskops bietet mir die Möglichkeit, in Schritten von 22 μ zu messen. Oder sollte ich in Schritten von 100, 200 oder 300 μ messen, wie manche es bevorzugen, um Zeit zu sparen? (Mischke et al. 1015, Maier & Stich 2012). Ich erinnere mich an einen Beitrag von Nümann, nachdem Elster (1958) seinen Vortrag über ihn gehalten hatte. Experimente zum Pumpen von Zooplankton: „Wie haben wir überhaupt ein absolutes Maß für die Richtigkeit der Ergebnisse? Die Methode, die zu dem größten Wert führt, braucht nicht unbedingt das Beste zu sein.“ „Wie haben wir ein absolutes Maß für die Richtigkeit der Ergebnisse überhaupt? Die Methode, die den höchsten Nutzen bringt, muss nicht unbedingt die beste sein.“ Übersetzt aus dem Deutschen ins Englische von mir, Albert Keim. 5
Angenommen, jemand möchte Zooplankton durch vertikales Schleppen mit einem konischen Netz beproben, hängt die Menge des erfassten gefilterten Wassers von der Stelle ab, an der der Durchflussmesser in der Netzöffnung aufgehängt ist, da die Geschwindigkeit des einströmenden Wassers von der Mitte zum Rand der Netzöffnung hin abnimmt. Platziert man den Durchflussmesser in der Mitte, wird das gefilterte Wasser überschätzt und folglich die Zooplanktonzahlen unterschätzt. Das Gegenteil wird passieren, wenn der Durchflussmesser in der Nähe des Randes angebracht wird. Evans und Sell (1985) diskutieren Fragen wie die Position des Durchflussmessers in der Netzöffnung und die Länge des Netzes ausführlich. Dennoch verwendet die Mehrheit der Forscher an Seen während des Vertikalzuges des Netzes keinen Durchflussmesser (McQueen & Yan 1993) und berechnen das gefilterte Wasservolumen mit der einfachen Formel Fläche der Netzöffnung*Höhe des Schleppnetzes (Stich, Maier und Hoppe 2010). Ein solches Verfahren unterschätzt auch das Volumen des gefilterten Wassers, insbesondere wenn eine Maschenweite von 60 μ verwendet wird. Außerdem leidet die Verwendung von konischen Netzen unter der Verstopfung der Netzmaschen durch planktonische Organismen, die nicht berechnet werden können. Daher kommt es zu einer hohen Streuung bei Proben aus Vertikalzügen mit konischen Netzen. Meeresbiologen, die an Untersuchungen des pelagischen Ichthyoplanktons im Ozean beteiligt sind, verwenden aus diesem Grund zylindrisch-konische Netze auf einem Doppelrahmen ohne Zügel vor der Netzöffnung, das sogenannte Bongo-Netz. Inspiriert vom Bongo entwarf Bürgi (1983) ein doppeltes zylindrisch-konisches Netzgerät zum Sammeln von Zooplankton in Seen. Tatsächlich ermöglicht eine solche Konstruktion die Probenentnahme einer größeren Anzahl, aber man befürchtet, dass die Größe der Ausrüstung auf einem kleinen Boot, das zur Probenentnahme auf einem See mit 5-50 ha Oberfläche verwendet wird, wie sie im Oberrheintal häufig vorkommen, unhandlich sein könnte. Ich verstehe einen solchen Vorbehalt nicht. Bei der Probennahme auf einem See mit einem Boot bin ich aus Gründen der Arbeitssicherheit verpflichtet, in einem Team von mindestens zwei Personen zu arbeiten. Eine Person hält das Netz über der Wasseroberfläche und die andere Person wäscht die Netzwände von außen mit einem Eimer oder der Pumpe. Im Vergleich zum Bongo für ozeanische Ichthyoplanktonuntersuchungen ist das Doppelnetzgerät von Bürgy viel kleiner und stellt uns vor die Schwierigkeit, die beste Stelle zu finden, an der der Durchflussmesser in der Netzöffnung platziert werden kann. Außerdem muss der Durchmesser des Durchflussmessers von der Fläche der Netzöffnung abgezogen werden. Ich denke, dass die beste Lösung für diese Probleme bei der quantitativen Probennahme in kleinen Seen die Verwendung einer Pumpe ist. Das Problem wird bei der Probennahme in flachen Seen noch größer. Ich kann problemlos Teilproben oberhalb und unterhalb der Sprungschicht entnehmen und das Volumen des gefilterten Wassers messen, indem ich die Sekunden der Filtration aufzeichne und die Füllung eines 10-Liter-Eimers mit der Stoppuhr messe.
Das nächste Problem entsteht im Labor bei der Verarbeitung der Probe. Das Aufteilen der Probe sollte nicht schwierig sein. Dann wird ein Tropfen der Probe auf einen Objektträger gegeben, der mit einem dünnen Glas bedeckt ist, und die Leute sagen mir, dass sie Zeit sparen müssen. Deshalb zählen und messen sie in Schritten von 100, 200 oder 300 µ (Mischke et al. 2015). Ich habe Proben, von denen ich alle Daphnia-Arten auf dem Objektträger gezählt und gemessen habe, unabhängig von den Schritten, die nur durch mein Okular begrenzt sind, das mir die Verwendung von Schritten von 22 µ ermöglicht. Um die Wirkung der Schritte zu überprüfen, habe ich die Messungen in Schritte von 300 µ unterteilt, neue Mittelwerte berechnet und diese Daten zur Berechnung des Trockengewichts verarbeitet. Diese neuen Ergebnisse wurden in einer Regression von TP gegen das Trockengewicht von Cladocera verwendet. Zu meiner Überraschung war der Korrelationskoeffizient in der Regressionsanalyse besser als zuvor. Ich sollte über die multimodale Längenverteilung der Daphnia spp. nachdenken. Ich weiß nicht, ob der erhaltene Mittelwert in der multimodalen Längenverteilung einen Gipfel, ein Tal oder eine Steigung erreichen wird. Daher bleibe ich weiterhin beim Zählen und Messen aller Exemplare auf dem Objektträger. Eine Zählung und Messung mit Unterteilung in Größenschritten ist fraglich, weil Menschen unwillkürlich aus einem Stapel zuerst die größeren Gegenstände greifen.
Nachtrag:
Die in diesem Beitrag beschriebenen Methoden wurden ad hoc bei der Arbeit als freiberuflicher Gewässerökologe entwickelt und angewendet. Ich schließe nicht aus, dass einige Teile verbessert werden können. Eine mögliche Fehlerquelle ist die Trennung in das Zählen mit zehnfacher und hundertfacher Vergrößerung. Zum jetzigen Zeitpunkt beprobe ich mangels Verträgen kein Zooplankton. Bei zukünftigen Arbeiten werde ich die Exemplare nach dem Zählen mit zehnfacher Vergrößerung direkt Tropfen für Tropfen auf dem Objektträger entnehmen, um sie zu messen und zu identifizieren. Dazu gehört auch eine Zählung. Am Ende darf kein Unterschied zwischen den beiden Zählungen sein. Für Kommentare und weitere Anregungen zur Verbesserung der Arbeit zum Zooplankton bin ich dankbar.
Literatur zur Berechnung der Biomasse als Trockengewicht für planktonische Krebse:
Dumont, H. J., I. Velde, and S. Dumont, 1975. The dry weight estimate of biomass in a selection of Cladocera, Copepoda and Rotifera from the plankton, periphyton and benthos of continental waters. Oecologia19, 75-97.
Im Kapitel Plankton meiner Homepage p-fraktionen.de steht die Excel-Datei:
https://p-fraktionen.de/wp-content/uploads/2020/03/BuZoJli05-1.xls
zusammen mit den anderen Excel-Dateien vom Buchtzigsee.