Der Einfluss von Strömung auf Methanproduktion und –oxidation in aquatischen Sedimenten.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Die Emissionen des Treibhausgases Methan (CH4) aus Binnengewässern sind aufgrund ihrer Auswirkungen auf den Klimawandel von wachsender Bedeutung. Jüngste Forschungsbemühungen zielen darauf ab, das prozessbasierte Verständnis der räumlichen und zeitlichen Dynamik von CH4-Emissionen aus Binnengewässern zu verbessern. Zu den offenen Forschungsfragen gehören die treibenden Faktoren der CH4-Emissionsdynamik und wie sie von anthropogenen Veränderungen von Gewässersystemen, wie z. B. dem Aufstauen von Flüssen und dem Bau von Stauseen, beeinflusst werden. Viele der Faktoren, von denen derzeit angenommen wird, dass sie die Methanproduktion, -oxidation und -emission aus aquatischen Sedimenten beeinflussen, hängen direkt oder indirekt von der Fließgeschwindigkeit ab. Diese Abhängigkeit und die zugrunde liegenden Mechanismen wurden jedoch nicht ausdrücklich berücksichtigt. In diesem Projekt haben wir eine neuartige experimentelle Mesokosmos-Anlage entwickelt, um die Strömungsabhängigkeit dieser Prozesse in einer Reihe von gezielten Laborexperimenten zu untersuchen. Der Versuchsaufbau diente dazu, die Umweltbedingungen zu simulieren, denen aquatische Sedimente in einem hydraulischen Gradienten von schnell fließenden (lotischen) bis hin zu Stillwasser-Ökosystemen (lentischen) ausgesetzt sind. Die Dynamik von CH4, CO2 und O2 wurde über längere Zeiträume in den gasdichten Mesokosmen untersucht, was die Aufstellung von Massenbilanzen ermöglichte und ein prozessbasiertes Verständnis des CH4-bezogenen Stoffwechsels erlaubte. In diesen Bilanzen haben wir auch einige unvermeidliche Unzulänglichkeiten des Versuchsaufbaus berücksichtigt, darunter Gasleckagen aus den Rinnen und die Sorption und Desorption von CH4 an den Rinnenwänden, die in zusätzlichen Experimenten quantifiziert wurden. Dennoch war die Variabilität der beobachteten CH4-Dynamik zwischen Rinnen mit identischen Sedimenten, die der gleichen Fließgeschwindigkeit ausgesetzt waren, hoch, was möglicherweise auf unterschiedliche mikrobielle Gemeinschaften zurückzuführen ist, die sich in der Anfangsphase der Experimente entwickelt haben. Durch die Kombination von Massenbilanzen von CH4-, CO2- und O2 fanden wir jedoch heraus, dass steigende Fließgeschwindigkeiten sowohl zu einer steigenden CH4-Produktion im Sediment als auch zu steigenden CH4-Oxidationsraten führten. Unter den untersuchten Bedingungen waren beide gegenläufigen Effekte von vergleichbarer Größenordnung, was zu einem unbedeutenden Nettoeffekt der Fließgeschwindigkeit auf die CH4-Emissionen führte. Das in diesem Projekt entwickelte und umfassend charakterisierte Rinnensystem hat sich als wertvolles Instrument zur Untersuchung des Sedimentstoffwechsels unter ökologischen Strömungsbedingungen erwiesen. Allerdings ist ein erheblicher Aufwand für die Vorbereitung und Auswertung solcher Experimente erforderlich.
