Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit den Faktoren, die das Wachstum und die Vertikalverteilung von Planktonalgen in extrem sauren Tagebaurestseen (TBS; pH 2-3) beeinflussen. Im exemplarisch untersuchten TBS 111 (pH 2.7; Lausitzer Revier) dominiert die Goldalge Ochromonas sp. in oberen und die Grünalge Chlamydomonas sp. in tieferen Wasserschichten, wobei letztere ein ausgeprägtes Tiefenchlorophyll-Maximum (DCM) ausbildet. Es wurde ein deutlicher Einfluss von Limitation durch anorganischen Kohlenstoff (IC) auf das phototrophe Wachstum von Chlamydomonas sp. in oberen Wasserschichten nachgewiesen, die mit zunehmender Tiefe von Lichtlimitation abgelöst wird. Im Vergleich mit Arbeiten aus neutralen Seen zeigte Chlamydomonas sp. erniedrigte maximale Wachstumsraten, einen gesteigerten Kompensationspunkt und erhöhte Dunkelrespirationsraten, was auf gesteigerte metabolische Kosten unter den extremen physikalisch-chemischen Bedingungen hinweist. Die Photosyntheseleistungen von Chlamydomonas sp. waren in Starklicht-adaptierten Zellen durch IC-Limitation deutlich verringert. Außerdem ergaben die ermittelten minimalen Zellquoten für Phosphor (P) einen erhöhten P-Bedarf unter IC-Limitation. Anschließend konnte gezeigt werden, dass Chlamydomonas sp. ein mixotropher Organismus ist, der seine Wachstumsraten über die osmotrophe Aufnahme gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) erhöhen kann. Dadurch ist dieser Organismus fähig, in tieferen, Licht-limitierten Wasserschichten zu überleben, die einen höheren DOC-Gehalt aufweisen. Da die Vertikalverteilung der Algen im TBS 111 jedoch weder durch IC-Limitation, P-Verfügbarkeit noch die in situ DOC-Konzentrationen abschließend erklärt werden konnte (bottom-up Kontrolle), wurde eine neue Theorie zur Entstehung der Vertikalverteilung geprüft. Grazing der phagotrophen und phototrophen Alge Ochromonas sp. auf der phototrophen Alge Chlamydomonas sp. erwies sich als herausragender Faktor, der über top-down Kontrolle die Abundanz der Beute in höheren Wasserschichten beeinflussen kann. Gemeinsam mit der Tatsache, dass Chlamydomonas sp. DOC zur Wachstumssteigerung verwendet, führt dies zu einer Akkumulation von Chlamydomonas sp. in der Tiefe, ausgeprägt als DCM. Daher erscheint grazing als der Hauptfaktor, der die beobachtete Vertikalschichtung der Algen im TBS 111 hervorruft. Die erzielten Ergebnisse liefern grundlegende Informationen, um die Auswirkungen von Strategien zur Neutralisierung der TBS auf das Nahrungsnetz abschätzen zu können. / In this thesis, I investigated the factors influencing the growth and vertical distribution of planktonic algae in extremely acidic mining lakes (pH 2-3). In the focal study site, Lake 111 (pH 2.7; Lusatia, Germany), the chrysophyte, Ochromonas sp., dominates in the upper water strata and the chlorophyte, Chlamydomonas sp., in the deeper strata, forming a pronounced deep chlorophyll maximum (DCM). Inorganic carbon (IC) limitation influenced the phototrophic growth of Chlamydomonas sp. in the upper water strata. Conversely, in deeper strata, light limited its phototrophic growth. When compared with published data for algae from neutral lakes, Chlamydomonas sp. from Lake 111 exhibited a lower maximum growth rate, an enhanced compensation point and higher dark respiration rates, suggesting higher metabolic costs due to the extreme physico-chemical conditions. The photosynthetic performance of Chlamydomonas sp. decreased in high-light-adapted cells when IC limited. In addition, the minimal phosphorus (P) cell quota was suggestive of a higher P requirement under IC limitation. Subsequently, it was shown that Chlamydomonas sp. was a mixotroph, able to enhance its growth rate by taking up dissolved organic carbon (DOC) via osmotrophy. Therefore, it could survive in deeper water strata where DOC concentrations were higher and light limited. However, neither IC limitation, P availability nor in situ DOC concentrations (bottom-up control) could fully explain the vertical distribution of Chlamydomonas sp. in Lake 111. Conversely, when a novel approach was adopted, the grazing influence of the phagotrophic phototroph, Ochromonas sp., was found to exert top-down control on its prey (Chlamydomonas sp.) reducing prey abundance in the upper water strata. This, coupled with the fact that Chlamydomonas sp. uses DOC for growth, leads to a pronounced accumulation of Chlamydomonas sp. cells at depth; an apparent DCM. Therefore, grazing appears to be the main factor influencing the vertical distribution of algae observed in Lake 111. The knowledge gained from this thesis provides information essential for predicting the effect of strategies to neutralize the acidic mining lakes on the food-web.

Im Rahmen der Untersuchung zur Entwicklung der pelagischen Gemeinschaft des ehemals sauren Tagebauseenkomplexes Goitsche (pH~3) während dessen Flutung und Neutralisierung wurden Wechselwirkungen zwischen der Zusammensetzung von Organismengemeinschaften und der Variabilität des abiotischen Umfeldes untersucht.Im Mittelpunkt standen zwei von ihrer Kausalität her unterschiedliche Aspekte: • Der erste Aspekt betraf die Reifung von Ökosystemen: War der Reifungsprozess von pelagischen Gemeinschaften anhand der von Odum (1969) formulierten Kriterien zur Energetik der Gemeinschaft, zu den Nährstoffkreisläufen sowie zu strukturellen Merkmalen auf Ökosystem- und Individuenebene zu erfassen? Führten der physiologische Stress durch den niedrigen pH und physikalische Störungen der Schichtung durch das einströmende Flutungswasser zu einer Umkehr des Reifungsprozesses? Auf welchen Organisationsebenen der Lebensgemeinschaften waren die Auswirkungen dieser Stressoren erkennbar? • Der zweite Aspekt behandelte die Entwicklung der Artenzahl, die Gleichverteilung der Dominanz von Arten (Eveness) und die Diversität von Planktongemeinschaften entlang des Produktivitätsgradienten. Speziell wurde untersucht, ob die Artenzahl und die Diversität eine monoton positive oder eine unimodale Funktion der Produktivität waren und ob die Eveness eine monoton abnehmende Funktion der Produktivität war. Zur besseren Vorhersagbarkeit der Entwicklung dieser Indizes wurden in einem nächsten Schritt zusätzliche biotische und abiotische Faktoren (z.B. Konsumenteneffekte, physikalische Störung, Immigration) berücksichtigt. Zuletzt wurde die Hypothese getestet, dass unter dem Einfluss von extremem physiologischem Stress keine Abhängigkeit zwischen den betrachteten Indizes und der Produktivität von Ökosystemen besteht. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit führten zu folgenden Ergebnissen und Schlussfolgerungen: 1) Der Reifungsprozess der Planktongemeinschaft war unter neutralen Bedingungen nicht eindeutig an einzelnen Kriterien festzumachen. Vielmehr schienen idiosynkratische Effekte einzelner Arten auf die Zusammensetzung und Funktion der Organismengemeinschaft von Bedeutung. Coenobiumbildende Kieselalgen sowie größere Cladoceren und Copepoden dominierten sehr rasch die Planktongemeinschaft und vermittelten den Eindruck eines reifen Ökosystems fast unmittelbar nach der Neutralisierung des Tagebausees. 2) Der Einfluss von physiologischem Säurestress und physikalischer Störung der Schichtung durch das eintretende Flutungswasser war gegenüber einem neutralen, ungestörten Teilbecken des Tagebausees (Referenzzustand) eindeutig zu erkennen. Die isolierte Betrachtung der Wirkung der Stressoren lieferte hinsichtlich fast aller Kriterien Anzeichen einer Verjüngung des Systems sensu Odum (1969, 1985). 3) Im betrachteten Ökosystem existierte eine Hierarchie innerhalb der Stressoren. Der Einfluss des Säurestresses dominierte gegenüber dem Einfluss der physikalischen Störung, wahrscheinlich indem er die Reaktionsmöglichkeiten der Planktongemeinschaft einschränkte. 4) Für Primärproduzenten war die Artenzahl eine monoton positive Funktion der realisierten Biomasse (einem Surrogatparameter für die Produktivität des Systems). Die Eveness war eine monoton negative Funktion der Produktivität. Die beobachtete unimodale Beziehung zwischen der Diversität und der Produktivität der Primärproduzenten muss als eine Folge der mathematischen Formulierung dieser Indizes betrachtet werden. 5) Die Ergebnisse multivariater Modelle zur Vorhersage der Artenzahl und der Eveness der Primärproduzenten in Abhängigkeit zusätzlicher erfassbarer biotischer und abiotischer Faktoren ermöglichten eine differenziertere Betrachtung der Ergebnisse: • Im Tagebausee Goitsche war die Eveness hauptsächlich von dichteabhängigen Prozessen gesteuert (negative Abhängigkeit zum Quadrat der Biomassen und zu den Lichtverhältnissen). • Die Entwicklung der Artenzahl war neben dem primären Einfluss der zunehmenden Biomasse auch durch qualitative und quantitative Aspekte der Konsumentengemeinschaft (Diversität und Biomasse des Zooplanktons) beeinflusst. Der Einfluss einer erhöhten Immigration auf die Artenzahl wurde nur zu Beginn der Flutung des Tagebausees beobachtet. 6) Auf Ebene der Konsumenten war die einzige eindeutig feststellbare Abhängigkeit ein Anstieg der Artenzahl mit steigender Biomasse. Das Fehlen von weiteren Beziehungen zwischen Diversitätsindizes und dem Produktivitätsgradienten wird darauf zurückgeführt, dass auf den unteren trophischen Ebenen der Primärproduzenten Ressourceneffekte (Bottom-Up) stärker ausgeprägt sind, wohingegen auf höheren trophischen Ebenen Konsumenteneffekte (Top-Down) dominieren. 7) In durch physiologischen Stress beeinflussten Systemen bestand keine Abhängigkeit zwischen den Diversitätsindizes (Artenzahl, Eveness und Diversität) und der Produktivität. / The objective of this study was to investigate the development of the pelagic plankton community of the formerly acidic open mining lake Goitsche (pH~3) during its flooding and neutralization. The emphasis was on the interaction between the community composition of an ecosystem and the variability of the abiotic environment. The focus was on two aspects, differing in their causality: • The first aspect concerned the maturation process of the studied ecosystem: Was it possible to picture the development of the pelagic community, based on the criteria formulated by Odum (1969) about the energetics of communities, the nutrient cycling and the structural characteristics at the level of the whole system and of individuals? Do the physiological stress and the physical disturbances, caused by the acidic environment and the inflowing water, induce a reversal of the maturation process? And on which levels of organization can the effect of these stressors be detected? • The second aspect concerned the relationship between selected diversity indices of the community (Species richness, Eveness and Diversity) and the whole-system productivity gradient. I looked whether the Species richness and the Diversity were a monotonous increasing or a unimodale function of the productivity, and if the Eveness was a monotonous decreasing function of the productivity. In a next step, to assure a better predictability of these indices, I took additional biotic and abiotic variables (e.g. consumer effect, physical disturbance, and immigration) into consideration. Lastly, I tested the hypothesis that under the influence of extreme physiological stress there would be no relationship between the diversity indices and the productivity. Main results and conclusions are as follows: 1) The maturation process of the plankton community under neutral conditions could not clearly be depicted by single criteria alone. The structure and function of the community seemed much more driven by idiosyncratic effects of individual species. Coenobial diatoms as well as larger Cladocera and Copepoda, which rapidly dominated the plankton community, made the ecosystem look mature almost immediately after the neutralization of the mining lake. 2) The influence of the physiological stress and the physical disturbances on the maturation process was observed, when compared to an unimpaired reference basin of the open mining lake. When the effects of the two stressors were considered alone, nearly all criteria confirmed a reversal of the maturation process sensu Odum (1969, 1985). 3) In the ecosystem there existed a hierarchy within stressors. The influence of the acid stress dominated over the influence of the physical disturbance, probably by restraining the reaction potential of the plankton community. 4) For primary producers, the Species richness was a monotonous positive function of the realized biomass (a surrogate for the productivity of the ecosystem), and the Eveness a monotonous negative function of the productivity. The observed unimodale relationship between the Diversity and the productivity of primary producers must be seen as a consequence of the mathematical formulation of these indices. 5) The results of multivariate models regarding the forecast of both Species richness and Eveness of the primary producers in relation to the additionally considered biotic and abiotic factors revealed following dependences: • In the mining lake Goitsche the realized Eveness was mainly explained by density dependent processes (negative dependence to the square of the producer biomass and to the light level). • Besides the main influence of increasing biomasses, the Species richness was a function of qualitative and quantitative aspects of the consumer community (Diversity and biomass of the zooplankton). A significant impact of species immigration from the regional pool on the realized Species richness was observed only at the beginning of the flooding of the mining lake. 6) At the consumer level, the only significant relationship was an increase of the Species richness with increasing biomass. The absence of further dependencies between diversity indices and the productivity gradients is attributed to the fact that on lower trophic levels Bottom-Up effects play a major role in the regulation of the community structure, whereas on higher trophic levels Top-Down effects dominate. 7) In ecosystems affected by physiological stress no relationship existed between the diversity indices (Species richness, Eveness and Diversity) of the plankton community and the productivity.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des BMBF-geförderten Projektes "Luft- und bodengestützte spektrometrische Untersuchungen zur Differenzierung reaktiv veränderter Braunkohlentagebaugebiete in Mitteldeutschland" (Vorhaben 02 WB 9667/5) als Kooperation zwischen dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Gesellschaft für Angewandte Fernerkundung (GAF) und dem Umweltforschungszentrum Leipzig/Halle GmbH (UFZ) angefertigt. Grundidee des Projektes war es, die durch spektrometrische Erfassungsmethoden der Fernerkundung erhaltenen Überfliegungsdaten mittels konventioneller petrographischer, mineralogischer und geochemischer Analytik zu kalibrieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag dabei in der Charakterisierung der hydro- und geochemischen Veränderungen in den Kippensedimenten des im mitteldeutschen Raum südlich von Leipzig aufgeschlossenen Braunkohlentagebaus Zwenkau. Zu diesem Zweck wurden die Kippensedimente in Abhängigkeit des Schüttungsalters und der Lagerung untersucht sowie die spezifischen Merkmale der Kippenwässer und Bodengase erfaßt, um die im Kippenkörper ablaufenden chemischen, petrographischen und gefügemäßigen Veränderungen sowie die Wechselwirkungen zwischen den Sedimenten, Wässern und Bodengasen zu beschreiben. Schließlich wird ein Modell zur zeitlichen Entwicklung der Abraumförderbrückenkippe, beginnend bei ihrer Verkippung bis hin zu einem Alter von etwa 20 Jahren, vorgestellt, welches die beobachteten Erscheinungen bezüglich der auftretenden endogenen und exogenen Wechselwirkungsfaktoren gut erklärt. / This thesis was prepared in cooperation with the GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), the Gesellschaft für Angewandte Fernerkundung (GAF), and the Umweltforschungszentrum Leipzig/Halle (UFZ) in frame of the project "Airborne and laboratory spectroscopic studies for differentiation of reactively alterated lignite mining pits in Central Germany" (No. 02 WB 9667/5) which was gratefully supported by the Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF). The major idea of the project was to achieve a calibration of the spectroscopic data acquired by the remote sensing though the results obtained from conventionally petrographical, mineralogical and geochemical analyses. The main goal of this thesis was the characterization of the hydro- and geochemical alterations in the conveyor bridge dump of the open lignite mining pit Zwenkau which is located in the Central Germany District southern of Leipzig. Therefore, dependent on their ages in terms of dumping and their surface-near locations the dump sediments were investigated and the specific properties of the different types of dump water and soil gases were acquired as well in order to describe the ongoing chemical, petrographical and structural alterations and interactions between the sediments, the water and the soil gases in the conveyor bridge. Finally, a model of the chronological development of the overburden sediments starting from their spilling up to an age of about 20 years is proposed which well explains the observed phenomena regarding the appearing endogenous and exogenous interaction factors.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des BMBF-geförderten Projektes "Luft- und bodengestützte spektrometrische Untersuchungen zur Differenzierung reaktiv veränderter Braunkohlentagebaugebiete in Mitteldeutschland" (Vorhaben 02 WB 9667/5) als Kooperation zwischen dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Gesellschaft für Angewandte Fernerkundung (GAF) und dem Umweltforschungszentrum Leipzig/Halle GmbH (UFZ) angefertigt. Grundidee des Projektes war es, die durch spektrometrische Erfassungsmethoden der Fernerkundung erhaltenen Überfliegungsdaten mittels konventioneller petrographischer, mineralogischer und geochemischer Analytik zu kalibrieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag dabei in der Charakterisierung der hydro- und geochemischen Veränderungen in den Kippensedimenten des im mitteldeutschen Raum südlich von Leipzig aufgeschlossenen Braunkohlentagebaus Zwenkau. Zu diesem Zweck wurden die Kippensedimente in Abhängigkeit des Schüttungsalters und der Lagerung untersucht sowie die spezifischen Merkmale der Kippenwässer und Bodengase erfaßt, um die im Kippenkörper ablaufenden chemischen, petrographischen und gefügemäßigen Veränderungen sowie die Wechselwirkungen zwischen den Sedimenten, Wässern und Bodengasen zu beschreiben. Schließlich wird ein Modell zur zeitlichen Entwicklung der Abraumförderbrückenkippe, beginnend bei ihrer Verkippung bis hin zu einem Alter von etwa 20 Jahren, vorgestellt, welches die beobachteten Erscheinungen bezüglich der auftretenden endogenen und exogenen Wechselwirkungsfaktoren gut erklärt. / This thesis was prepared in cooperation with the GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), the Gesellschaft für Angewandte Fernerkundung (GAF), and the Umweltforschungszentrum Leipzig/Halle (UFZ) in frame of the project "Airborne and laboratory spectroscopic studies for differentiation of reactively alterated lignite mining pits in Central Germany" (No. 02 WB 9667/5) which was gratefully supported by the Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF). The major idea of the project was to achieve a calibration of the spectroscopic data acquired by the remote sensing though the results obtained from conventionally petrographical, mineralogical and geochemical analyses. The main goal of this thesis was the characterization of the hydro- and geochemical alterations in the conveyor bridge dump of the open lignite mining pit Zwenkau which is located in the Central Germany District southern of Leipzig. Therefore, dependent on their ages in terms of dumping and their surface-near locations the dump sediments were investigated and the specific properties of the different types of dump water and soil gases were acquired as well in order to describe the ongoing chemical, petrographical and structural alterations and interactions between the sediments, the water and the soil gases in the conveyor bridge. Finally, a model of the chronological development of the overburden sediments starting from their spilling up to an age of about 20 years is proposed which well explains the observed phenomena regarding the appearing endogenous and exogenous interaction factors.