| Summary: | Die Seen Dendi, Wonchi und Ziqualla sind tropische, kalte Kraterseen im Hochland Äthiopiens und gehören zu den letzten ungestörten aquatischen Ökosystemen in dem Land. Aufgrund ihrer Abgeschiedenheit und der fehlenden Infrastruktur wurden diese Wasserkörper bisher nicht detailliert untersucht. Eingebettet in einer eindrucksvollen Landschaft stellen die Seen eine essentielle Komponente dar und spielen mittlerweile auch eine wirtschaftliche Rolle durch den wachsenden Zweig des Öko-Tourismus. Leider haben Investoren bereits den hohen Wert dieser Ökosysteme erkannt und weite Uferbereiche aufgekauft. Mit der vorliegenden Untersuchung erfolgte eine status quo – Erhebung, damit z.B. bei Bauvorhaben auf Grundlagendaten zurückgegriffen werden kann. Es gibt bereits einige Negativbeispiele in Äthiopien, bei denen Hotelbauten am Ufer von Kraterseen einen unglaublichen Eutrophierungsschub bewirkten, der nicht mehr rückgängig gemacht werden kann. Kraterseen stellen äußerst sensible Ökosysteme mit sehr langen Erneuerungszeiten des Wasserkörpers dar. Die Seen Dendi und Wonchi dienen der Wasserversorgung für die lokale Bevölkerung inklusive Bewässerung von Feldern und für die Viehzucht; das Wasser des heiligen Sees Ziqualla steht nur für Taufen zur Verfügung und wird streng bewacht. In den späten 1990ern wurden die Seen Dendi und Wonchi mit Gewöhnlichem Karpfen (Cyprinus carpio L. 1758) und Tilapia (Oreochromis niloticus L.) besetzt, um die Fischereiwirtschaft zu etablieren und damit die lokale Gemeinschaft mit Eiweiß zu versorgen. Die Besatzarten konnten aber keine sich fortpflanzenden Populationen aufbauen. Als mögliche Gründe wurden genannt: (1) eine zu geringe Phytoplanktonbiomasse, die die eigentliche Hauptnahrung für planktivore Fische wie O. niloticus darstellt, (2) schädliche Gase und Salze aus vulkanischer Tätigkeit und (3) keine geeigneten Laichplätze. Bislang existieren keinerlei limnologische Studien, die diese Schlussfolgerungen unterstützen. Schwerpunkt der vorliegenden Studie ist eine limnologische Beschreibung dieser abgelegenen Hochgebirgskraterseen. Zwei Probenahme-Serien stellen die Basis dar, die auch für ein zukünftiges Monitoring genutzt werden sollen. Mit dieser Datenerhebung wurde eine Basis geschaffen, um zukünftige biologische Veränderungen und Umwelteinflüsse zu erkennen. Im Wonchi-See wurden die saisonale Dynamik, Zusammensetzungen und Biomasse des Phyto- und Zooplanktons mit limnologischen Kenngrößen verglichen. Zudem liefert diese Studie plausible Erklärungen, warum die Nil-Tilapia im Wonchi-See keine sich fortplanzenden Populationen aufbauen konnte. Im Rahmen der Studie wurde der Wonchi-See in zweiwöchigen Intervallen von Dezember 2011 bis Jänner 2013 an einer Freiwasserstation untersucht (Wassertiefe: 50 m, GPS-Koordinaten: 08o48’035”N and 37o53’592”E). Aus den Wasserproben wurden Artzusammensetzung und -biomasse des Phyto- und Zooplanktons bestimmt und mit physikalisch-chemischen Parametern verschnitten. Die erste Studie fokussiert sich hauptsächlich auf deskriptive und vergleichende Limnologie der drei bedrohten Hochgebirgskraterseen Dendi, Ziqualla und Wonchi. Die Ergebnisse zeigen, dass alle drei Seen zwar keine erkennbaren Oberflächenabflüsse haben, aber dennoch nur geringe Ionenkonzentrationen aufweisen, die über die gesamte Wassersäule ähnlich verteilt sind (Kationen hauptsächlich Na+/K+, Anionen HCO3-). Die Sauerstoffabnahme in größeren Tiefen geht mit gesteigerten Konzentrationen von reduzierendem Fe und Mn einher, was auf das Vorkommen unterirdischer Quellen hindeutet. Basierend auf Nährstoffen, Chlorophyll a und Wassertransparenz können die Seen Dendi und Wonchi als oligotroph, der Ziqualla-See als oligo-mesotroph eingestuft werden. Typisch für unbelastete bis wenig eutrophierte Wasserkörper, wurde die Phytoplanktongemeinschaft in den Seen Dendi und Wonchi von kokkalen Grünalgen, Desmidiaceen und Dinoflagellaten dominiert, während chlorokokkale Algen, insbesondere Botryococcus braunii und benthische Diatomeen im seichten, mit Makrophyten durchsetzten Ziqualla-See vorherrschten. Die Zooplankton-Fauna war unterentwickelt und bestand aus 11 Rotatorien- und 13 Crustaceen-Taxa. In allen drei Seen bildeten Copepoden die größte Gruppe und trugen mehr als 60% zur Gesamtbiomasse des Zooplanktons bei, gefolgt von Cladoceren und Rotatorien. Aufgrund unserer Ergebnisse können diese Seen als schütztenswerte und nährstoffarme Hochgebirgsseensysteme charakterisiert werden, die Biota wie Desmidiaceen und Daphniden beheimaten, die empfindlich auf Eutrophierung reagieren würden. Die zweite Studie wurde zwischen Dezember 2011 und Jänner 2013 im Wonchi-See durchgeführt und liefert erste Daten der Phytoplankton-Dynamik mit den zugrunde liegenden Schlüsselparametern. Die Ergebnisse deuten auf eine Limitierung durch gelöste anorganische Nährstoffe hin mit jährlich gemittelten Konzentrationen von gelöstem reaktiven Phosphor (SRP) 2.4 µg L-1, Totalphosphor (TP) 6.0 µg L-1 und gelöstem anorganischen Stickstoff (DIN) 92.4 µg L-1, wobei hier interessanterweise Ammonium den Großteil stellt (> 90% des DIN). Die Phytoplankton-Zusammensetzung besteht aus 53 Taxa aus fünf taxonomischen Großgruppen. Die Taxa konnten 15 funktionellen Einheiten zugeordnet werden. Eine partielle Atelomixis in Kombination mit auffällig niedrigen Nährstoff- Konzentrationen scheint die grundlegend treibende Kraft für die Struktur der Phytoplanktongemeinschaft im Wonchi-See zu sein. Die Community ist divers mit großen und relativ schweren und unbeweglichen, schnell sinkenden planktischen Desmidiaceen, die der NA–Gruppe angehören (61% des gesamten Biovolumens) gefolgt von den Diatomeen (MP–Gruppe, welche 13% des Biovolumens ausmacht). Während der Nährstofflimitation im Dezember (kurz vor Umwälzung des Wasserkörpers) herrschte eine beinahe mono-spezifische Blüte von Peridinium cinctum (Gruppe Lo) vor, die später durch die funktionellen Codons F–J ersetzt wurden. Letztere wurden während des weiteren Beobachtungszeitraumens fortwährend von der Zusammensetzung NA ersetzt. Die positive Korrelation zwischen Chlorophyll a und der Zooplanktonbiomasse (r = 0.482, N = 20, p = 0.037) zeigt einen “Bottom up“-Effekt an (die Menge der Algen steuert die Zooplanktonzahlen). Die dritte Studie beschäftigte sich mit der Zooplankton-Zusammensetzung und der Biomasse, welche über siebzehn Monate mit möglichen ökologischen Einflussfaktoren verschnitten wurden. Im Wonchi-See zeigt die Zooplanktongemeinschaft eine moderate Artenzahl von vierzehn Taxa (sechs Cladoceren-, eine Copepoden- und sieben Rotatorienarten). Der Simpson’s Diversitätsindex mit Werten zwischen 0.6 und 0.8 deutet klar in Richtung eines homogenen Taxavorkommens zwischen den Probenterminen hin. Die gesamte gemittelte Biomasse (±SD) des Zooplanktons betrug rund 62 ± 26 mg m-3 Trockenmasse, was im Vergleich zu anderen Hochland- und Grabenbruchseen in Äthiopien sehr niedrig erscheint. Der cyclopoide Copepode Thermocyclops ethiopiensis ist das häufigste Taxon und trägt zu mehr als 50% zur Gesamtzooplanktonabundanz bei, gefolgt von Cladoceren (38%) und Rotatorien (12%). Eine nicht-metrische multidimensionale Skalierung ergab ein 3-dimensionales Modell mit generell ähnlicher Zusammensetzung der Gemeinschaft; Ausnahmen bildeten die Monate Dezember/Jänner und Mai. Temperatur, Alkalinität, Leitfähigkeit und Nitrat-N haben einen signifikanten Einfluss auf saisonale Muster. Die signifikante positive Korrelation (r = 0.482, N = 20, p = 0.037) zwischen Chlorophyll a und Zooplanktonbiomasse spiegelt den „Bottom-up-Effekt“ des Phytoplanktons auf die Zooplanktondynamik wider. Die vertikale Verteilung des Zooplanktons im Wonchi-See deutet eine Trennung der Wassersäule in Epi- und Metalimnion an. Die Ergebnisse zeigen, dass intensive, interspezifische Konkurrenz und nicht Räuber-Beute Beziehungen zwischen Fischen und Zooplanktern der Schlüsselfaktor für die vertikale Zooplanktonverteilung im Lake Wonchi sind. Die vierte Studie beurteilt die Wachstumseffizienz von zwei indigenen Stämmen juveniler Nil-Tilapien aus geographisch abgelegenen Hochland-Regionen, welche in Käfig-Kulturen gehältert wurden. Diese Studie wurde durchgeführt, um plausible Erklärungen zu liefern, wieso die Besetzung mit O. niloticus im Wonchi-See nicht erfolgreich war und sich keine fortpflanzenen Populationen etablieren konnten. Unter den untersuchten Fischstämmen variierte das Wachstum nicht signifikant (t-test, P > 0.05), obwohl der HS-Stamm (± SD) ein höheres gemitteltes Endgewicht (25.6 ± 1.1 g pro Individuum) im Vergleich zum DZ-Stamm erreichte (20.5 ± 1,1 g). Für den HS-Stamm betrug die Netto Gewichtszunahme und tägliches Fischwachstum pro Fisch 23.2 g und 0.2 g d-1 beziehungsweise 18.5 g und 0.1 g d-1 für den DZ-Stamm. Während der Aufzucht war die Überlebensrate aller experimenteller Fischstämme niedriger als 80% und wies keine signifikanten Unterschiede auf (ANOVA, P > 0.05). Alle physikalischen und chemischen Parameter deuten auf eine mögliche Etablierung einer O. niloticus-Population im Lake Wonchi hin, einzig die Wassertemperatur ist mit einer jährlichen Durchschnittstemperatur von 15.6° C für eine eurytherme Fischart wie Tilapia sehr tief. Lakes Dendi, Wonchi and Ziqualla are cold–water tropical high–mountain crater lakes in Ethiopia and are among the few remaining patches of undisturbed aquatic ecosystems in the country. They have never been investigated reliably owing to seclusion and lack of infrastructure. Nevertheless, the lakes offer a pristine environment in a beautiful landscape and play a significant economic role through increasing eco-tourism. Unfortunately, this fact was also recognized by investors thus land-grabbing increasingly becomes a serious problem for these areas. Lakes Dendi and Wonchi provide freshwater for drinking, back-yard irrigation and livestock watering to the local communities, while Lake Ziqualla is “holy” and the water is used exclusively for baptizing. Lake Ziqualla is highly protected by a local monastery. Dendi and Wonchi were stocked with common carp (Cyprinus carpio L. 1758) and Tilapia (Oreochromis niloticus L.) fish in late 1990s in an attempt to establish pelagic fishery and increase availability of protein for the local communities. However, the latter species did not establish breeding populations. For this phenomenon, three hypotheses are proposed: (1) too low plankton biomass, which is the main food source for planktivorous fish like O. niloticus and (2) poor water quality due to dissolved volcanic gases and salts and (3) limited spawning grounds. Nevertheless, there exist no quantitative data and rigorous studies oriented towards this implication nor are there any limnological investigations in these lakes to the best of our knowledge. Objectives of the study were to provide a first morphometric and limnological description of these fairly pristine tropical high–mountain crater lakes during two sampling campaigns, with the aim of establishing baseline data against which future environmental and biological changes can be monitored and assessed. Moreover, we were interested in seasonal dynamics, abundance and biomass of the pelagic community in relation to the underlying limnological variables in Lake Wonchi. Besides, the study provides plausible explanations as to why the introduced fish Nile Tilapia was unable to inhabit and establish successful breeding populations in Lake Wonchi. The study in Lake Wonchi was carried out on a fortnightly basis between December 2011 and January 2013 at an open–water station marked with GPS (depth: 50 m, coordinates: 08o48’035”N and 37o53’592”E). Species composition, abundance and biomass of phyto– and zooplankton along with physico–chemical parameters were determined from net and integrated water samples. The first investigation focused on the description and comparison of the limnology of lakes Dendi, Ziqualla and Wonchi. The results showed that all the lakes have no obvious surface outflow, but generally showed low concentrations of ions, displaying an equal distribution of readily soluble components like Na or K throughout the water column. We recognized distinct oxygen depletion in greater depths, which is linked to raising concentrations of reducing Fe and Mn pointing at subterraneous springs. Based on nutrients, chlorophyll a, and water transparency, lakes Dendi and Wonchi are classified as oligotrophic, whilst Ziqualla is oligo-mesotrophic. The phytoplankton community is dominated by coccal green algae, desmids and dinoflagellates in lakes Dendi and Wonchi, as typical for unpolluted dilute waterbodies; whereas chlorococcales, in particular Botryococcus braunii and benthic diatoms prevail in Ziqualla. The zooplankton fauna is depauperate comprising a total of 11 rotifer taxa and 13 crustaceans. Copepods were the most abundant group and contributed over 60% to the total zooplankton abundance in all three lakes, followed by cladocerans and rotifers. Owing to the results, the conservation significance of these lakes lies predominantly in their representation of dilute, nutrient–poor highland lake systems that support diverse biota assemblages like desmids and daphnids, which are highly sensitive to eutrophication. The second study provides a first record on long-term phytoplankton seasonal dynamics conducted between December 2011 and January 2013 including the underlying key environmental drivers in Lake Wonchi. Owing to the results, dissolved inorganic nutrient levels indicated oligotrophic conditions with ammonium being the dominant inorganic nitrogen form. The phytoplankton communities comprised 53 taxa distributed in five taxonomic divisions, which could be assigned to 15 codons based on the phytoplankton functional group classification. In Wonchi, as typical in other deep high–mountain tropical lakes, partial–atelomixis combined with the apparent low dissolved inorganic nutrient concentrations seem to be a fundamental driving force in structuring phytoplankton community composition, which was quite stable and characterized by high diversity of heavy, immobile and fast-sinking planktonic desmids of the NA–codon (61% of the total biovolume) during mixis followed by diatoms MP–codon contributing 13% to the total biovolume. A near–monospecific bloom of Peridinium cinctum (Lo–codon) prevailed before the onset of lake turnover in December 2011 in conditions of nutrient–depletion, which was later followed by the functional groups F–J during the episode of complete mixing and then perpetually replaced by the functional group NA. Non-metric multi-dimensional scaling resulted in a 2-dimensional solution, which revealed clear segregation of phytoplankton community to four groups. Mixing regime of the water column, specific conductivity, total phosphorus and ammonium had significant influence on the observed seasonal pattern. The strong positive relationship between chlorophyll a and zooplankton biomass points to bottom-up of zooplankton. Hence, the study demonstrated the significance of phytoplankton autecology for monitoring the ecological status of tropical aquatic ecosystems as it is already well-established in temperate regions. The third study presents a first study on zooplankton taxa composition, abundance and biomass conducted over an extended period of seventeen months including underlying environmental drivers. In Lake Wonchi, the zooplankton community composition showed moderate species richness comprising a total of fourteen taxa with six cladocerans, one copepod and seven rotifers. Simpson´s index of diversity with values between 0.6 and 0.8 clearly pointed towards a homogenous taxa occurrence within the single sample units. The overall mean (±SD) standing biomass of zooplankton was 62 ± 26 mg dry mass m-3, which is low compared to other highland and rift valley lakes in Ethiopia. Cyclopoid copepods, in particular Thermocyclops ethiopiensis were the most abundant group and contributed 50% to the total zooplankton abundance followed by cladocerans (38%) and rotifers (12%). Non-metric multi-dimensional scaling resulted in a 3-dimenensional model, which revealed similar community composition on successive sampling dates except in December/January and May. Temperature, alkalinity, conductivity and nitrate-N had significant influence on this seasonal pattern. A weak, but significant positive correlation (r = 0.482, N = 20, p = 0.037) between chlorophyll a and zooplankton biomass mirrors a bottom-up effect of phytoplankton biomass on zooplankton dynamics. Zooplankton of Lake Wonchi displayed some degree of segregation along the epi– and metalimnion during this study. The results show that intense interspecific competition, rather than fish predation, is the key factor structuring the vertical distribution of zooplankton. The fourth study involved the evaluation of growth performance of two indigenous strains of juvenile Nile Tilapia, O. niloticus (L.) collected from geographically isolated regions at highland environment (Lake Wonchi) under cage culture system between July 2012 and January 2013. This study was mainly conducted to substantiate and provide plausible explanations as to why the introduced fish O. niloticus was unable to inhabit and/or establish successful breeding populations in Lake Wonchi. The growth of fish varied less significantly (t-test, P > 0.05) among the strains, although HS-strain had a higher mean (± SD) final individual size (25.6 ± 1.1 g) than DZ-strain (20.5 ± 1.1 g). The net weight gain and daily growth rate per fish were 23.2 g and 0.2 g d-1 for HS-strain, and 18.5 g and 0.1 g d-1 for DZ-strain, respectively. HS-strain was found to be in better condition than DZ-strains, which is in accordance with the relative superior growth rate of the former strain. Survival rate of fish in both treatments was below 80% and did not differ significantly (ANOVA, P > 0.05) among the experimental strains throughout the culture period. All the physical and chemical parameters were in the favourable range for O. niloticus culture except the water temperature which is very low (annual mean 15.6 OC) for the eurythermal fish species to feed and reproduce in Lake Wonchi.
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