TY  - THES
A1  - Nomosatryo, Sulung
T1  - Biogeochemical characteristics of a tropical lake
T1  - Biogeochemische Merkmale eines tropischen Sees
BT  - a study case from Lake Sentani, Papua, Indonesia
BT  - eine Fallstudie des Sentani-Sees, Papua, Indonesien
N2  - Biogeochemical analyses of lacustrine environments are well-established methods that allow exploring and understanding complex systems in the lake ecosystem. However, most were conducted in temperate lakes controlled by entirely different physical conditions than in tropical climates. The most important difference between the temperate and tropical lakes is lacking seasonal temperature fluctuations in the latter, which leads to a stable temperature gradient in the water column. Thus, the water column in tropical latitudes generally is void of perturbations that can be seen in their temperate counterparts. Permanent stratification in the water column provides optimal conditions for intact sedimentation. The geochemical processes in the water column and the weathering process in the distinct lithology in the catchment leads to the different biogeochemical characteristic in the sediment. Conducting a biogeochemical study in this lake sediment, especially in the Sediment Water Interface (SWI) helps reveal the sedimentation and diagenetic process records influenced by the internal or external loading. Lake Sentani, the study area, is one of the thousands of lakes in Indonesia and located in the Papua province. This tropical lake has a unique feature, as it consists of four interconnected sub-basins with different water depths. More importantly, its catchment is comprised of various different lithologies. Hence, its lithological characteristics are highly diverse, and range from mafic and ultramafic rocks to clastic sediment and carbonates. Each sub-basin receives a distinct sediment input. Equally important, besides the natural loading, Lake Sentani is also influenced by anthropogenic input. Previous studies have elaborated that there is an increase in population growth rate around the lake which has direct consequences on eutrophication. Considering these factors, the government of The Republic of Indonesia put Lake Sentani on the list of national priority lakes for restoration. This thesis aims to develop a fundamental understanding of Lake Sentani's sedimentary geochemistry and geomicrobiology with a special focus on the effects of different lithologies and anthropogenic pressures in the catchment area. We conducted geochemical and geomicrobiology research on Lake Sentani to meet this objective. We investigated geochemical characteristics in the water column, porewater, and sediment core of the four sub-basins. Additional to direct investigations of the lake itself, we also studied the sediments in the tributary rivers, of which some are ephemeral, as well as the river mouths, as connections between riverine and the lacustrine habitat. The thesis is composed of three main publications about Lake Sentani and supported by several publications that focus on other tropical lakes in Indonesia. The first main publication investigates the geochemical characterization of the water column, porewater, and surface sediment (upper 40-50 cm) from the center of the four sub-basins. It reveals that besides catchment lithology, the water column heavily influences the geochemical characteristics in the lake sediments and their porewater. The findings indicate that water column stratification has a strong influence on overall chemistry. The four sub-basins are very different with regard to their water column chemistry. Based on the physicochemical profiles, especially dissolved oxygen, one sub-basin is oxygenated, one intermediate i.e. just reaches oxygen depletion at the sediment-water interface, and two sub-basins are fully meromictic. However, all four sub-basins share the same surface water chemistry. The structure of the water column creates differences on the patterns of anions and cations in the porewater. Likewise, the distinct differences in geochemical composition between the sub-basins show that the lithology in the catchment affects the geochemical characteristic in the sediment. Overall, water column stratification and particularly bottom water oxygenation strongly influence the overall elemental composition of the sediment and porewater composition. The second publication reveals differences in surface sediment composition between habitats, influenced by lithological variations in the catchment area. The macro-element distribution shows that the geochemical characteristics between habitats are different. Furthermore, the geochemical composition also indicates a distinct distribution between the sub-basins. The geochemical composition of the eastern sub-basin suggests that lithogenic elements are more dominant than authigenic elements. This is also supported by sulfide speciation, particle distribution, and smear slide data. The third publication is a geomicrobiological study of the surface sediment. We compare the geochemical composition of the surface sediment and its microbiological composition and compare the different signals. Next Generation Sequencing (NGS) of the 16S rRNA gene was applied to determine the microbial community composition of the surface sediment from a great number of locations. We use a large number of sampling sites in all four sub-basins as well as in the rivers and river mouths to illustrate the links between the river, the river mouth, and the lake. Rigorous assessment of microbial communities across the diverse Lake Sentani habitats allowed us to study some of these links and report novel findings on microbial patterns in such ecosystems. The main result of the Principal Coordinates Analysis (PCoA) based on microbial community composition highlighted some commonalities but also differences between the microbial community analysis and the geochemical data. The microbial community in rivers, river mouths and sub-basins is strongly influenced by anthropogenic input from the catchment area. Generally, Bacteroidetes and Firmicutes could be an indicator for river sediments. The microbial community in the river is directly influenced by anthropogenic pressure and is markedly different from the lake sediment. Meanwhile, the microbial community in the lake sediment reflects the anoxic environment, which is prevalent across the lake in all sediments below a few mm burial depth. The lake sediments harbour abundant sulfate reducers and methanogens. The microbial communities in sediments from river mouths are influenced by both rivers and lake ecosystems. This study provides valuable information to understand the basic processes that control biogeochemical cycling in Lake Sentani. Our findings are critical for lake managers to accurately assess the uncertainties of the changing environmental conditions related to the anthropogenic pressure in the catchment area. Lake Sentani is a unique study site directly influenced by the different geology across the watershed and morphometry of the four studied basins. As a result of these factors, there are distinct geochemical differences between the habitats (river, river mouth, lake) and the four sub-basins. In addition to geochemistry, microbial community composition also shows differences between habitats, although there are no obvious differences between the four sub-basins. However, unlike sediment geochemistry, microbial community composition is impacted by human activities. Therefore, this thesis will provide crucial baseline data for future lake management.
N2  - Biogeochemische Studien werden schon seit langer Zeit durchgeführt. Die meisten Studien wurden jedoch in Seen der gemäßigten Zonen durchgeführt, in denen ganz andere physikalische Bedingungen herrschen als in Seen mit tropischem Klima. Der wichtigste Unterschied zwischen gemäßigten und tropischen Seen ist das Fehlen saisonaler Temperaturschwankungen in letzteren, was zu einem stabilen Temperaturgefälle in der Wassersäule führt. Die Wassersäule wird daher nicht durch wechselnde Oberflächentemperaturen gestört. Die permanente Schichtung in der Wassersäule bietet optimale Bedingungen für eine intakte Sedimentation. Geochemischen Prozesse in der Wassersäule und Verwitterungsprozesse in den unterschiedlichen Lithologien im Einzugsgebiet führen zu unterschiedlichen biogeochemischen Eigenschaften im Sediment. Die Durchführung einer biogeochemischen Studie in diesem Seesediment, insbesondere an der Sediment-Wasser-Grenzfläche (SWI), hilft dabei, die Sedimentations- und diagenetischen Prozessaufzeichnungen aufzuzeigen, die durch interne oder externe Belastung beeinflusst werden. Der See Sentani, das Untersuchungsgebiet, ist einer von tausenden Seen in Indonesien, der in der Provinz Papua liegt. Der See wurde ausgewählt, weil er die Einzigartigkeit der tropischen Seen repräsentiert, und mit vier Unterbecken verbunden ist, welche in unterschiedlichen Wassertiefen liegen. Des Weiteren, weist sein Einzugsgebiet unterschiedliche Lithologien auf. Die Lithologie ist sehr vielfältig und reicht von mafischem und ultramafischem Gestein bis hin zu klastischen Sedimenten und Karbonaten. Somit erhält jedes Teileinzugsgebiet einen anderen Sedimenteintrag. Ebenso wichtig ist, dass dieser See neben der natürlichen Belastung auch von anthropogenen Einträgen aus seinem Einzugsgebiet beeinflusst wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zunahme des Bevölkerungswachstums eine Eutrophierung zur Folge hat. In Anbetracht dieser Faktoren wurde der See von der Regierung der Republik Indonesien zu einem der vorrangig zu restaurierenden nationalen Seen erklärt. Ziel dieser Arbeit ist es ein grundlegendes Verständnis der Sedimentgeochemie und Geomikrobiologie des Sentani-Sees zu entwickeln, mit besonderem Augenmerk auf die Auswirkungen verschiedener Lithologien und anthropogener Einflüsse im Einzugsgebiet. Um dieses Ziel zu erreichen, führten wir geochemische und geomikrobiologische Untersuchungen am Sentani-See durch. Wir untersuchten die geochemischen Merkmale in der Wassersäule, im Porenwasser und im Sedimentkern der vier Teileinzugsgebiete. Wir untersuchten nicht nur den See selbst, sondern auch die Sedimente in den Nebenflüssen, von denen einige nur saisonal Wasser führen, sowie die Flussmündungen, welche die Verbindung zwischen dem fluvialen und dem lakustrinen Lebensraum darstellen. Die Arbeit ist eine Synthese aus drei Publikationen über den Sentani-See und wird durch mehrere Veröffentlichungen über andere tropische Seen in Indonesien ergänzt. Die erste Publikation untersucht die geochemischen Bedingungen in der Wassersäule, des Porenwassers und des Oberflächensediments (obere 40-50 cm) in den Zentren der vier Becken des Sees. Sie zeigt, dass neben der Lithologie des Einzugsgebiets auch die Wassersäule die geochemischen Eigenschaften der Seesedimente und ihres Porenwassers beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schichtung der Wassersäule einen starken Einfluss auf die Gesamtchemie hat. Die vier Teilbecken unterscheiden sich jedoch sehr stark in ihrer Wassersäulenchemie. Ausgehend von den physikalisch-chemischen Profilen, insbesondere dem gelösten Sauerstoff, ist ein Teilbecken sauerstoffreich, in einem weiteren erreicht die Sauerstoffkonzentration Werte um Null an der Sediment-Wasser-Grenzfläche, und zwei Teilbecken sind vollständig meromiktisch. Alle vier Teilbecken weisen jedoch die gleiche Oberflächenwasserchemie auf. Die Struktur der Wassersäule führt zu Unterschieden in den Profilen der Anionen und Kationen im Porenwasser. Ebenso zeigen die deutlichen Unterschiede in der geochemischen Zusammensetzung zwischen den Teilbecken, dass die Lithologie im Einzugsgebiet die geochemischen Merkmale im Sediment beeinflusst. Insgesamt haben die Schichtung der Wassersäule und insbesondere die Sauerstoffanreicherung des Bodenwassers einen starken Einfluss auf die elementare Gesamtzusammensetzung des Sediments und die Zusammensetzung des Porenwassers. Die zweite Veröffentlichung zeigt, dass die Zusammensetzung des Oberflächensediments zwischen den Lebensräumen durch die lithologischen Unterschiede im Einzugsgebiet beeinflusst wird. Die Makroelementverteilung zeigt, dass die geochemischen Merkmale zwischen den Lebensräumen unterschiedlich sind. Darüber hinaus weist die unterschiedliche geochemische Zusammensetzung auch auf eine unterschiedliche Verteilung zwischen den Teilbecken hin. Die geochemische Zusammensetzung des östlichen Teilbeckens deutet darauf hin, dass lithogene Elemente dominanter sind als authigene Elemente. Dies wird auch durch die Sulfid-Speziation, die Partikelverteilung und die Daten der Smear-Slide Analyse bestätigt. Bei der dritten Veröffentlichung handelt es sich um eine geomikrobiologische Studie des Oberflächensediments. Wir stellen die geochemische Zusammensetzung des Oberflächensediments und seine mikrobiologische Zusammensetzung gegenüber und vergleichen die verschiedenen Signale. Next Generation Sequencing (NGS) des 16S rRNA-Gens wurde angewandt, um die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des Oberflächensediments an einer großen Anzahl von Standorten zu bestimmen. Wir verwenden eine große Anzahl von Probenahmestellen in allen vier Teilbecken sowie in den Flüssen und Flussmündungen, um die Verbindungen zwischen den Flüssen, den Flussmündungen und dem See aufzuzeigen. Eine statistische Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Lebensräumen des Sentani-Sees ermöglichte es uns, einige dieser Verbindungen zu untersuchen und einige neue Erkenntnisse über mikrobielle Muster in solchen Ökosystemen zu gewinnen. Das Hauptergebnis der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) auf der Grundlage der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften zeigte einige Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede zwischen der Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften und den geochemischen Daten auf. Die mikrobielle Gemeinschaft in Flüssen, Flussmündungen und in den vier Teilbecken wird stark von anthropogenen Einträgen aus dem Einzugsgebiet beeinflusst. Im Allgemeinen könnten Bacteroidetes und Firmicutes ein Indikator für Flusssedimente sein. Die mikrobielle Gemeinschaft im Fluss wird direkt durch den anthropogenen Druck beeinflusst und unterscheidet sich deutlich von den Seesedimenten. Die mikrobielle Gemeinschaft in den Seesedimenten spiegelt das anoxische Milieu wider, das im gesamten See in allen Sedimenten unterhalb einiger mm Tiefe vorherrscht. Die Seesedimente beherbergen eine Vielzahl von Sulfatreduzierern und Methanogenen. Die mikrobiellen Gemeinschaften in den Sedimenten von Flussmündungen werden sowohl von den Ökosystemen der Flüsse als auch der Seen beeinflusst. Diese Studie liefert wertvolle Informationen zum Verständnis der grundlegenden Prozesse, die den biogeochemischen Kreislauf im Sentani-See steuern. Die Studie bietet den Verantwortlichen Managern des Sees wertvolle Informationen, um die Unsicherheiten der sich ändernden Umweltbedingungen im Zusammenhang mit dem anthropogenen Druck im Einzugsgebiet zu erfassen. Der Sentani-See wird direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Teilbecken und deren Einzugsgebieten beeinflusst, was ihn zu einem einzigartigen Untersuchungsgebiet macht. Dies bietet eine außergewöhnliche Gelegenheit, den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die Sedimentzusammensetzung unter identischen klimatischen und hydrologischen Bedingungen zu untersuchen. Der Sentani-See ist ein einzigartiges Untersuchungsgebiet, das direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Einzugsgebiete beeinflusst wird. Als Ergebnis dieser Faktoren gibt es deutliche geochemische Unterschiede zwischen den Lebensräumen (Fluss, Flussmündung, See) und den vier Teileinzugsgebieten. Neben der Geochemie weist auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften Unterschiede zwischen den Lebensräumen auf, obwohl es keine offensichtlichen Unterschiede zwischen den vier Teileinzugsgebieten gibt. Im Gegensatz zur Geochemie der Sedimente wird die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften jedoch durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Daher wird diese Arbeit wichtige Grundlagendaten für die künftige Bewirtschaftung der Seen liefern.
KW  - tropical lake
KW  - limnology
KW  - lacustrine sediment
KW  - surface sediment
KW  - sediment geochemistry
KW  - XRF analysis
KW  - microbial communities
KW  - XRF-Analyse
KW  - limnische Sedimente (Seesedimente)
KW  - Limnologie (Seenkunde)
KW  - mikrobielle Gemeinschaften
KW  - Sedimentgeochemie
KW  - Oberflächensediment
KW  - tropischer See
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-594006
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bajerski, Felizitas
T1  - Bacterial communities in glacier forefields of the Larsemann Hills, East Antarctica : structure, development & adaptation
T1  - Bakterielle Gemeinschaften in Gletschervorfeldern der Larsemann Berge der Ostantarktis : Struktur, Entwicklung & Anpassung
N2  - Antarctic glacier forfields are extreme environments and pioneer sites for ecological succession. The Antarctic continent shows microbial community development as a natural laboratory because of its special environment, geographic isolation and little anthropogenic influence. Increasing temperatures due to global warming lead to enhanced deglaciation processes in cold-affected habitats and new terrain is becoming exposed to soil formation and accessible for microbial colonisation. This study aims to understand the structure and development of glacier forefield bacterial communities, especially how soil parameters impact the microorganisms and how those are adapted to the extreme conditions of the habitat. To this effect, a combination of cultivation experiments, molecular, geophysical and geochemical analysis was applied to examine two glacier forfields of the Larsemann Hills, East Antarctica. Culture-independent molecular tools such as terminal restriction length polymorphism (T-RFLP), clone libraries and quantitative real-time PCR (qPCR) were used to determine bacterial diversity and distribution. Cultivation of yet unknown species was carried out to get insights in the physiology and adaptation of the microorganisms. Adaptation strategies of the microorganisms were studied by determining changes of the cell membrane phospholipid fatty acid (PLFA) inventory of an isolated bacterium in response to temperature and pH fluctuations and by measuring enzyme activity at low temperature in environmental soil samples. The two studied glacier forefields are extreme habitats characterised by low temperatures, low water availability and small oligotrophic nutrient pools and represent sites of different bacterial succession in relation to soil parameters. The investigated sites showed microbial succession at an early step of soil formation near the ice tongue in comparison to closely located but rather older and more developed soil from the forefield. At the early step the succession is influenced by a deglaciation-dependent areal shift of soil parameters followed by a variable and prevalently depth-related distribution of the soil parameters that is driven by the extreme Antarctic conditions. The dominant taxa in the glacier forefields are Actinobacteria, Acidobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria and Chloroflexi. The connection of soil characteristics with bacterial community structure showed that soil parameter and soil formation along the glacier forefield influence the distribution of certain phyla. In the early step of succession the relative undifferentiated bacterial diversity reflects the undifferentiated soil development and has a high potential to shift according to past and present environmental conditions. With progressing development environmental constraints such as water or carbon limitation have a greater influence. Adapting the culturing conditions to the cold and oligotrophic environment, the number of culturable heterotrophic bacteria reached up to 108 colony forming units per gram soil and 148 isolates were obtained. Two new psychrotolerant bacteria, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T and Chryseobacterium frigidisoli PB4T, were characterised in detail and described as novel species in the family of Oxalobacteraceae and Flavobacteriaceae, respectively. The isolates are able to grow at low temperatures tolerating temperature fluctuations and they are not specialised to a certain substrate, therefore they are well-adapted to the cold and oligotrophic environment. The adaptation strategies of the microorganisms were analysed in environmental samples and cultures focussing on extracellular enzyme activity at low temperature and PLFA analyses. Extracellular phosphatases (pH 11 and pH 6.5), β-glucosidase, invertase and urease activity were detected in the glacier forefield soils at low temperature (14°C) catalysing the conversion of various compounds providing necessary substrates and may further play a role in the soil formation and total carbon turnover of the habitat. The PLFA analysis of the newly isolated species C. frigidisoli showed that the cold-adapted strain develops different strategies to maintain the cell membrane function under changing environmental conditions by altering the PLFA inventory at different temperatures and pH values. A newly discovered fatty acid, which was not found in any other microorganism so far, significantly increased at decreasing temperature and low pH and thus plays an important role in the adaption of C. frigidisoli. This work gives insights into the diversity, distribution and adaptation mechanisms of microbial communities in oligotrophic cold-affected soils and shows that Antarctic glacier forefields are suitable model systems to study bacterial colonisation in connection to soil formation.
N2  - Gletschervorfelder der Antarktis stellen extreme Habitate dar und sind Pionierstandorte biologischer Sukzession. Insbesondere unter Berücksichtigung zuletzt beobachteter und vorausgesagter Erwärmungstrends in der Antarktis und der Relevanz der Mikroorganismen für das Antarktische Ökosystem, ist es essentiell mehr Informationen über die Entwicklung frisch exponierter Gletschervorfelder zu erlangen. Ziel dieser Studie ist es, die Struktur und Entwicklung bakterieller Gletschervorfeldgemeinschaften zu verstehen, insbesondere wie die Mikroorganismen von den Bodenparametern beeinflusst werden und wie diese sich an die extremen Bedingungen des Habitats anpassen. Für die Untersuchung der Proben von zwei Gletschervorfeldern aus den Larsemann Bergen der Ostantarktis diente eine Kombination aus Kultivierungsexperimenten und molekularen, geophysikalischen und geochemischen Analysen. Die untersuchten Gletschervorfelder sind durch extrem niedrige Temperaturen, einer geringen biologischen Wasserverfügbarkeit und oligotrophe Nährstoffgehalte charakterisiert und zeigen unterschiedliche Entwicklungsstufen in Verbindung zu den Bodenparametern. In einem frühen Schritt der Bodenbildung in der Nähe der Gletscherzunge sind die Gemeinschaften undifferenziert, doch mit fortschreitender Entwicklung nimmt de Einfluss von Wasser- und Nährstofflimitationen zu. Nachdem die Kultivierungsbedingungen den kalten und nährstoffarmen Bedingungen des Habitats angepasst wurden, konnten 108 koloniebildende Einheiten heterotropher Bakterien pro Gramm Boden angereichert und daraus 148 Isolate gewonnen werden. Zwei neue psychrotolerante Bakterien, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T und Chryseobacterium frigidisoli PB4T, wurden detailiert charakterisiert und als jeweils neue Spezies beschrieben. Die Anpassungsstrategien der Mikroorganismen an die extremen antarktischen Bedingungen zeigten sich in der Aktivität extrazellulärer Enzyme bei niedriger Temperatur, die mit derer temperierter Habitate vergleichbar ist, und in der Fähigkeit der Mikroorganismen, die Fettsäurezusammensetzung der Zellmembran zu ändern. Eine neue Fettsäure, die bisher in keinen anderen Mikroorganismus gefunden wurde, spielt eine entscheidende Rolle in der Anpassung des neu-beschriebenen Bakteriums C. frigidisoli an niedrige Temperaturen und saure pH-Werte. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Vielfalt, Verteilung und Anpassung mikrobieller Gemeinschaften in nährstoffarmen und Kälte-beeinflussten Habitaten und zeigt, dass Antarktische Gletschervorfelder geeignete Modellsysteme, um bakterielle Besiedelung in Verbindung zu Bodenbildung zu untersuchen.
KW  - Antarktis
KW  - Gletschervorfeld
KW  - mikrobielle Gemeinschaften
KW  - Anpassung
KW  - Kultivierung
KW  - Antarctica
KW  - glacier forefield
KW  - microbial communities
KW  - adaptation
KW  - cultivation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67424
ER  -