Amino acid isotope analysis in aquatic ecosystems: method development, host-parasite dynamics, and food web applications

Das Verständnis des Nährstoffkreislaufs und des Energieflusses in aquatischen Ökosystemen ist entscheidend, um ökologische Reaktionen auf Umweltveränderungen vorherzusagen. Die Analyse stabiler Isotope ist seit Langem ein wertvolles Instrument in der ökologischen Forschung, da sie wichtige Einblicke in trophische Interaktionen und metabolische Prozesse ermöglicht. Während die konventionelle Bulk-Isotopenanalyse wertvolle Informationen liefert, reicht ihre Präzision möglicherweise nicht aus, um komplexe Nahrungsnetze vollständig aufzulösen. In diesem Zusammenhang hat sich die aminosäurespezifische Isotopenanalyse (CSIA-AA) als leistungsfähige Methode etabliert, die eine höhere Genauigkeit bei der Rückverfolgung von Nährstoffquellen und trophischen Positionen bietet. Diese Dissertation untersucht das Potenzial der CSIA-AA zur Erweiterung des Verständnisses aquatischer Ökosysteme, indem methodische Herausforderungen adressiert und die Technik in verschiedenen ökologischen Kontexten angewendet wird. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Fischen, Parasiten und Makroinvertebraten, wobei etablierte CSIA-AA-Techniken genutzt werden, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit ökologischer Studien zu verbessern. Technische und methodische Herausforderungen werden identifiziert und geeignete Lösungen vorgeschlagen. Die Studie optimiert die Probenvorbereitung, Derivatisierung und Geräteperformance, um präzise Isotopenmessungen sicherzustellen. Durch Anpassungen der chromatographischen Bedingungen, instrumentellen Parameter und isotopischen Korrekturen werden CSIA-AA-Methoden für spezifische ökologische Anwendungen optimiert. Diese Verbesserungen erhöhen die Zuverlässigkeit isotopenbasierter Analysen und gewährleisten gleichzeitig die Konsistenz mit etablierten analytischen Rahmenwerken. Ein zentraler Fokus dieser Arbeit liegt auf der Anwendung von CSIA-AA in Wirt-Parasit-Systemen, insbesondere dem Dreistachligen Stichling (Gasterosteus aculeatus) und seinem Parasiten Schistocephalus solidus. Die Untersuchung der Stickstoffisotopenmuster dient der Nachverfolgung der Nährstoffassimilation. Die Ergebnisse zeigen, dass Parasiten Nährstoffe passiv von ihrem Wirt aufnehmen und nur minimale trophische Positionsunterschiede zwischen beiden bestehen. Bestimmte Aminosäuren, wie Alanin (Ala) und Glycin (Gly), zeigen charakteristische Fraktionierungsmuster, die mit metabolischen Prozessen wie der Glukoneogenese und Immunreaktionen in Verbindung stehen. Darüber hinaus wird die CSIA-AA auf Süßwasser-Nahrungsnetze ausgeweitet, indem Gammarus-Populationen über mehrere Jahre untersucht werden. Die Analyse von Kohlenstoff- und Stickstoffisotopen zeigt, dass mikrobielle und algale Quellen eine bedeutende Rolle im Energiefluss spielen und dass Gammarus sp. hauptsächlich als Primärkonsument fungiert. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung detritusbasierter Nahrungsnetze und liefern wertvolle Einblicke in Faktoren, die den Nährstoffkreislauf in Süßwasserökosystemen beeinflussen. Diese Forschung trägt zur Weiterentwicklung der CSIA-AA in ökologischen Studien bei, indem sie analytische Ansätze zur Untersuchung von Nährstoffflüssen, Energieübertragungen und trophischen Interaktionen verbessert. Die Ergebnisse leisten einen Beitrag zur Isotopenökologie und vertiefen das Verständnis der Nährstoffdynamik und Stabilität von Nahrungsnetzen in Süßwasserökosystemen. Diese Arbeit bildet eine Grundlage für zukünftige Anwendungen der CSIA-AA in der ökologischen Forschung und biogeochemischen Untersuchungen.