Silicification in the Ocean: from molecular pathways to silicifiers ecology and biogeochemical cycles
From Phaeocystis to Chaetoceros: silicic acid as the primary driver of diatom bloom magnitude in an Arctic mesocosm experiment
Response of central Arctic primary productivity to co-limitation by silicic acid, nitrate and light
Nitrate availability enables photoacclimation and limits primary production in two years of low sea ice concentration in the Central Arctic Ocean
This thesis investigates silicic acid (Si) and light as key drivers of phytoplankton community composition and primary productivity across the Eurasian Arctic. Combining a fjord mesocosm study, multi-tracer bioassays in the central Arctic Ocean (CAO), and a comparison of photosynthesis-irradiance measurements from two cruises to the CAO (2012, 2023), the work shows that Si availability regulates diatom bloom magnitude, export efficiency, and the competitive outcome against non-silicifiers like Phaeocystis. In the CAO, kinetic Si limitation is widespread, coinciding with flagellate-dominated, low-productivity communities, while lateral Si advection locally restructures community composition toward diatoms. However, nitrate — not light or Si — emerges as the primary constraint on production magnitude. This suggests, that as sea ice continues to decline the CAO is converging on a nitrate-constrained regime resembling shelf seas, with implications for carbon export and trophic transfer.
Diese Arbeit untersucht die Rolle von Kieselsäure und Licht für die Phytoplanktongemeinschaft und Primärproduktion in der eurasischen Arktis, basierend auf einem Mesokosmenexperiment auf Spitzbergen und zwei Feldstudien im zentralen Arktischen Ozean (ZAO). Die Ergebnisse zeigen, dass Kieselsäure maßgeblich das Kieselalgenwachstum, den Kohlenstoffexport und die Konkurrenz zwischen Kieselalgen und Phaeocystis beeinflusst. Im Spätsommer im ZAO ist Kieselsäurelimitation weit verbreitet und trägt zu einer flagellatendominierten Gesellschaft mit niedriger Produktivität bei, obwohl laterale Einträge von Kieselsäure lokal Kieselalgenblüten ermöglichen. Das Gesamtausmaß der Primärproduktion wird jedoch nicht durch Licht- oder Kieselsäurelimitation reguliert, sondern durch die Nitratverfügbarkeit. Der fortschreitende Meereisrückgang wird die arktische Primärproduktion daher nicht steigern, sondern das System wird, wie in den angrenzenden Schelfmeeren, zunehmend nitratlimitiert sein.
Climate change reshapes aquatic ecosystems by altering nutrient cycles, increasing water temperatures and intensifying extreme. These changes strongly affect phytoplankton communities which determine the food quantity (biomass) and quality (stoichiometry) for higher trophic levels. This thesis combines long-term monitoring data with targeted experiments to unravel the effects of environmental change on phytoplankton community functioning. Within this, publication 1 synthesizes population trends and highlights the status of phytoplankton relative to other ecosystem components, while publications 2-5 examine key stressors (temperature, nutrients) driving community restructuring through microcosm and mesocosm experiments. Together, this thesis emphasizes the value of ecologically relevant, multi-driver and scenario-based approaches with natural communities, and underlines the need to monitor phytoplankton stoichiometry to detect critical thresholds inducing food quality limitations.
Der Klimawandel verändert aquatische Ökosysteme, indem er Nährstoffkreisläufe verändert, Wassertemperaturen erhöht und Extremereignisse verstärkt. Diese Veränderungen beeinflussen Phytoplanktongemeinschaften, die die Nahrungsmenge (Biomasse) und -qualität (Stöchiometrie) für höhere trophische Ebenen bestimmen. Diese Doktorarbeit kombiniert Langzeitbeobachtungsdaten mit Experimenten um die Auswirkungen von Umweltveränderungen auf die Funktionsweise von Phytoplanktongemeinschaften zu untersuchen. Dabei präsentiert Publikation 1 eine Synthese von Populationstrends und hebt den Status des Phytoplanktons hervor, während die Publikationen 2-5 wichtige Stressoren (Temperatur, Nährstoffe) untersuchen, die die Umstrukturierung der Gemeinschaften vorantreiben. Die Arbeit unterstreicht den Wert ökologisch relevanter, multifaktorieller und szenariobasierter Ansätze mit natürlichen Gemeinschaften, und das Monitoring der Phtyoplankton-Stöchiometrie um kritische Schwellenwerte frühzeitig zu erkennen.
