Gevolgen van klimaatverandering voor het functioneren van meren

Het CO2-gehalte in de atmosfeer is toegenomen van een niveau van 280 ppm (parts-per-million) ca. 150 jaar geleden tot meer dan 360 ppm nu. Verwacht wordt een verdere stijging tot 700 ppm in de loop van de 21ste eeuw. Deze stijging leidt tot een verhoogde opname van CO2 vanuit de atmosfeer door het water van meren. De toegenomen beschikbaarheid van opgeloste anorganische koolstof betekent een verschuiving in de stoichiometrie (onderlinge concentratieverhouding) van stikstof en koolstof in het water.

Gevolgen van stijgend CO2-gehalte voor schadelijke blauwalgen
In voedselrijke meren wordt het plankton vaak gedomineerd door Cyanobacteria (‘blauwalgen’). Sommige van deze organismen produceren bepaalde gifstoffen, microcystinen genaamd, die gevaarlijk zijn voor mens en dier. Daarom wordt voor wateren met grote hoeveelheden blauwalgen (algenbloei) vaak een recreatieverbod afgekondigd, en kunnen ze niet worden benut voor de landbouw of voor drinkwaterproductie. Scheikundig gezien zijn microcystinen opgebouwd uit onder andere koolstof en stikstof (het zijn cyclische peptidende). Daarom is onze onderzoekshypothese dat veranderingen in de stoichiometrie van koolstof en stikstof in zulke meren van invloed zal zijn op de productie van microcystinen, hetzij doordat bepaalde Cyanobacteria-stammen hun fysiologie aanpassen of doordat de stammensamenstelling wordt gewijzigd door natuurlijke selectie. Met andere woorden: de stijging van het CO2-gehalte in de atmosfeer kan van invloed zijn op de giftigheid van de blauwalgen.  

Gevolgen van stijgend CO2-gehalte voor het voedselweb in zoet water via fysisch-chemische koppeling: een stoichiometrisch perspectief
De chemische samenstelling van plantaardig plankton (algen e.d.) wordt sterk beïnvloed door de onderlinge concentratieverhoudingen (stoichiometrie) tussen de voedingsstoffen in hun leefomgeving. De beschikbaarheid van voedingsstoffen (nutriënten) als koolstof, stikstof en fosfor in het water wordt beïnvloed door de huidige, door de mens veroorzaakte, klimaatverandering. Tegen het eind van deze eeuw zal het CO2-gehalte in de atmosfeer tot ongekende hoogte zijn gestegen, en de daaruit voortvloeiende temperatuurstijging leidt tot een versterkte gelaagdheid (stratificatie) van aquatische ecosystemen. Daardoor stagneert de toevoer van nutriënten naar de bovenste (meng-)laag van het water. Als gevolg van deze met het klimaat samenhangende processen zal het koolstofgehalte in het voedselweb van planktonorganismen stijgen, terwijl de beschikbaarheid van andere elementen afneemt. Op wereldschaal zal dus de koostof:nutriënten stoichiometrie van het plankton (de concentratieverhouding tussen koolstof en de overige voedingsstoffen) waarschijnlijk gaan verschuiven, waardoor de structuur en het functioneren van het hele voedselweb in het water wellicht zal veranderen.

Verschuivingen in zoetwater-ecosystemen door klimaatverandering: modelstudies en experimenten
Het staat vast dat de huidige klimaatverandering van invloed is op het functioneren van ecosystemen. Deze invloed blijkt uit talloze voorbeelden van ‘klimaat-vingerafdrukken’ en zelfs ‘klimaat-voetafdrukken’ op natuurlijke systemen over de gehele wereld. De fenologie van een soort, dat wil zeggen de timing van de onderdelen van de levenscyclus, hangt rechtstreeks samen met klimaat-afhankelijke signalen als temperatuur, neerslag en de hoeveelheid zonneschijn. Daarnaast kan klimaatverandering leiden tot verschuivingen in de samenstelling van levensgemeenschappen en in de grenzen van verspreidingsgebieden van bepaalde soorten. Doordat elke soort op een specifieke manier reageert op temperatuursveranderingen, kan dit gevolgen hebben voor de fenologische afstemming (timing) van de relaties binnen een voedselweb, bijvoorbeeld tussen roof- en prooidieren. Zo bestaat er in zoetwatersystemen een fenologische afstemming tussen de watervlo Daphnia, een belangrijke consument van plantaardig materiaal, en de algen die zijn voornaamste voedsel vormen. Deze afstemming kan verstoord raken als de populatiegroei van Daphnia in de lente op gang wordt gebracht door de veranderende daglengte in plaats van de temperatuur. In ons onderzoek worden dergelijke verstoringen in de afstemming bestudeerd aan de hand van wiskundige modellen waarin de invloed van minimale seizoensveranderingen op de interacties tussen dierlijke en plantaardige organismen in het plankton wordt gesimuleerd. Onze experimenten richten zich vooral op de door de klimaatveranderingen veroorzaakte verschuivingen in de samenstelling van planktongemeenschappen. We kijken naar de invloed van verschillende essentiële ecosysteemfactoren, zoals voedselrijkdom en klimaat, op het concurrentievermogen van verschillende groepen algen. De resultaten van deze experimenten worden aangevuld met analyses met het model PCLake (een computermodel dat het gehele ecosysteem omvat), om zodoende een meer geïntegreerde visie te ontwikkelen op de invloed van klimaatverandering, waarbij ook rekening wordt gehouden met de gevolgen van voedselrijkdom en bepaalde terugkoppelingsmechanismen in zoetwater-ecosystemen. 
 

Klimaatverandering als bedreiging voor de waterkwaliteit
De meeste meren en vennen in Nederland zijn door de mens aangelegd en kennen een kunstmatig vast waterpeil en slecht ontwikkelde oeverzones. Op basis van een uitgebreid literatuuronderzoek concluderen wij dat voor de ondiepe meren en vennen in Nederland de huidige klimaatverandering waarschijnlijk zal leiden tot:

1. verminderde aantallen van diverse vogels die doelsoorten die zijn voor ons natuurbeleid;
2. een sterkere dominantie van blauwalgen (Cyanobacteria) in de plantaardige planktongemeenschappen,
3. meer en ernstigere epidemieën van botulisme onder watervogels en verdere verspreiding van door muggen overgebrachte ziektes;
4. bevordering van de instroom van invasieve soorten uit het Ponto-Kaspische gebied;
5. stabilisering van troebele watersystemen gedomineerd door zwevende algen (phytoplankton), waardoor pogingen om meer natuurlijke systemen te herstellen, minder effect hebben;
6. destabilisatie van meer natuurlijke meren met helder water en veel hogere planten (macrofyten);
7. verhoging van de draagkracht (het aantal organismen dat een systeem kan onderhouden) voor organismen die de basis vormen van de voedselketen (met name fytoplankton), dus een soortgelijk effect als overmatige voedselrijkdom;
8. veranderingen in de consumerende organismen op hogere niveaus in de voedselketen als gevolg van de toegenomen productie op het laagste niveau;
9. vermindering van de biodiversiteit voor zover deze afhankelijk is van helder water;
10. beïnvloeding van de biodiversiteit als gevolg van verstoringen.

Deze te verwachten invloeden vormen voor ons het uitgangspunt voor verder experimenteel en theoretisch onderzoek naar de gevolgen van de klimaatverandering voor zoetwater-ecosystemen. Hierbij richten we ons op de dynamiek in de lente en de fenologie (timing van de levenscyclus) van algen en dierlijk plankton, aangezien de interactie tussen die twee groepen organismen bepaalt of het water helder wordt en er zich hogere planten in kunnen vestigen.

Meer informatie
Voor vragen over dit onderwerp kunt u terecht bij Anthony Verschoor, a.verschoor@nioo.knaw.nl, http://www.nioo.knaw.nl/ppages/averschoor