Impact of ambient O2 and CO2 concentrations on submerged plants' metabolism and transfer to education

Aquatic plants are part of the local and global carbon cycles, are a food source and habitat for various species and have developed interesting adaptations to their environment. A better understanding of aquatic plants and their metabolism will help to assess the impact of certain interferences, such as changes of the ambient gas concentrations and water turbidity, and to better protect them. In this study, the oxygen and carbon dioxide rates of the abundant freshwater species Elodea nuttallii and Ceratophyllum demersum were measured simultaneously and continuously in situ. Measurements were conducted in comparative studies at three different sites in Southern Germany throughout the growing season from June to September. Long term experiments were performed at one of the sites in two consecutive summers. The results confirm the strong dependence of the plants' metabolism on the light intensity and the oxygen and carbon dioxide concentrations of the ambient water. A depression of the photosynthetic rate with net oxygen uptake was measured in the late afternoons. At the same time, the net carbon dioxide turnover was zero, suggesting that (photo)respiratory carbon dioxide was recycled in photosynthesis. The photosynthetic quotient (PQ) is the ratio of the absolute values of the oxygen and carbon dioxide photosynthetic rates and is an indicator for the occurring metabolic processes within a plant. The PQ was determined in experimental setups, in which photosynthesis and mitochondrial respiration should be the dominating processes. Therefore, the PQ values were hypothesized to being 1 or close to 1. In two thirds of the measurements at the different sites the PQ values were higher than 1.3. Furthermore, the PQ varied diurnally in the long term measurements. The values were below 1 in the morning and late afternoon and higher than 1 at midday. PQ values higher than 1 can be explained by additional metabolic processes like nitrate assimilation or the synthesis of more complex secondary products. Lower values were caused by increased uptake and concentration of carbon species in the mornings and higher photorespiratory rates in the afternoons. To better protect species, it is not only important to know more about their metabolism and their habitat. This new knowledge also has to be disseminated to a broader audience. In the context of this thesis three different teaching units have been developed to transfer amalgamated results of this study and general information about aquatic plants to secondary school education. The units could be taught without an excursus, so that all pupils, regardless of their prior knowledge and intrinsic motivation towards biological subjects, could learn about this topic.

Wasserpflanzen sind Teil des lokalen und globalen Kohlenstoffkreislaufs, sind Nahrungsmittel und Lebensraum für unterschiedlichste Arten und sind auf hervorragende Art und Weise an ihre Umgebung angepasst. Ein Wissenszuwachs bezüglich des Stoffwechsels aquatischer Pflanzen führt dazu, dass sie besser geschützt werden können, und dass die Auswirkungen bestimmter Störungen, wie die Änderung der umgebenden Gaskonzentrationen oder eine Verminderung der Lichtintensität im Wasser, beurteilet werden können. In der vorliegenden Arbeit wurden der Sauerstoff- und der Kohlenstoffdioxidstoffwechsel der häufig vorkommenden Süßwasserarten Elodea nuttallii und Ceratophyllum demersum simultan und kontinuierlich gemessen. Die Experimente wurden während der Wachstumsperiode von Juni bis September in situ an drei verschiedenen Standorten in Süddeutschland durchgeführt. Außerdem wurden in zwei aufeinanderfolgenden Sommern Langzeitmessungen an einem der Standorte umgesetzt. Die Ergebnisse bestätigen die starke Abhängigkeit des pflanzlichen Stoffwechsels von der Lichtintensität und dem Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidgehalt des umgebenden Wassers. Eine Abnahme der Photosyntheserate bis hin zur netto Aufnahme von Sauerstoff wurde am späten Nachmittag verzeichnet. Zum gleichen Zeitpunkt lag der netto Kohlenstoffumsatz bei null, woraus sich ableiten ließ, dass (photo)respiratorisches Kohlenstoffdioxid in der Photosynthese wiederverwendet wurde. Der photosynthetische Quotient (PQ) wird als Verhältnis des Betrags des Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidumsatzes berechnet und liefert Hinweise darauf, welche Stoffwechselprozesse in einer Pflanze ablaufen. Der PQ wurde in Versuchsanordnungen bestimmt, in denen Photosynthese und mitochondriale Atmung die dominierenden Prozesse sein sollten. Unter diesen Umständen sollte der PQ 1 sein oder nahe 1 liegen. In zwei Dritteln der durchgeführten Messungen an den verschiedenen Standorten war der PQ größer als 1,3. Außerdem wies er tageszeitliche Schwankungen auf: morgens und am späten Nachmittag war der PQ niedriger als 1, und mittags war er größer als 1. Zusätzliche Stoffwechselprozesse wie die Assimilierung von Nitrat oder die Synthese von komplexen Sekundärmetaboliten führten dazu, dass der PQ über 1 lag. Niedrigere Werte wurden am Morgen durch eine erhöhte Aufnahme und Konzentration von Kohlenstoffspezies verursacht, und am Nachmittag durch hohe photorespiratorische Raten begründet. Um Arten besser zu schützen, muss man nicht nur den Wissenstand über ihren Stoffwechsel und ihre Habitate erweitern, sondern dieses Wissen auch an die breite Öffentlichkeit herantragen. Im Kontext dieser Dissertation wurden drei verschiedene Unterrichtseinheiten entwickelt, die eine Zusammenfassung von Messergebnissen und allgemeine Informationen über Wasserpflanzen in den Unterricht der gymnasialen Mittelstufe einbringen. Die Einheiten wurden derart konzipiert, dass sie ohne Exkurs im Stundenverlaufsplan unterrichtet werden könnten. Dadurch erlernen alle Schüler*innen Inhalte, unabhängig von ihren Vorkenntnissen und ihrer intrinsischen Motivation hinsichtlich biologischer Themen.