TY - THES A1 - Mitzscherling, Julia T1 - Microbial communities in submarine permafrost and their response to permafrost degradation and warming N2 - The Arctic region is especially impacted by global warming as temperatures in high latitude regions have increased and are predicted to further rise at levels above the global average. This is crucial to Arctic soils and the shallow shelves of the Arctic Ocean as they are underlain by permafrost. Perennially frozen ground is a habitat for a large number and great diversity of viable microorganisms, which can remain active even under freezing conditions. Warming and thawing of permafrost makes trapped soil organic carbon more accessible to microorganisms. They can transform it to the greenhouse gases carbon dioxide, methane and nitrous oxide. On the other hand, it is assumed that thawing of the frozen ground stimulates microbial activity and carbon turnover. This can lead to a positive feedback loop of warming and greenhouse gas release. Submarine permafrost covers most areas of the Siberian Arctic Shelf and contains a large though unquantified carbon pool. However, submarine permafrost is not only affected by changes in the thermal regime but by drastic changes in the geochemical composition as it formed under terrestrial conditions and was inundated by Holocene sea level rise and coastal erosion. Seawater infiltration into permafrost sediments resulted in an increase of the pore water salinity and, thus, in thawing of permafrost in the upper sediment layers even at subzero temperatures. The permafrost below, which was not affected by seawater, remained ice-bonded, but warmed through seawater heat fluxes. The objective of this thesis was to study microbial communities in submarine permafrost with a focus on their response to seawater influence and long-term warming using a combined approach of molecular biological and physicochemical analyses. The microbial abundance, community composition and structure as well as the diversity were investigated in drill cores from two locations in the Laptev Sea, which were subjected to submarine conditions for centuries to millennia. The microbial abundance was measured through total cell counts and copy numbers of the 16S rRNA gene and of functional genes. The latter comprised genes which are indicative for methane production (mcrA) and sulfate reduction (dsrB). The microbial community was characterized by high-throughput-sequencing of the 16S rRNA gene. Physicochemical analyses included the determination of the pore water geochemical and stable isotopic composition, which were used to describe the degree of seawater influence. One major outcome of the thesis is that the submarine permafrost stratified into different so-called pore water units centuries as well as millennia after inundation: (i) sediments that were mixed with seafloor sediments, (ii) sediments that were infiltrated with seawater, and (iii) sediments that were unaffected by seawater. This stratification was reflected in the submarine permafrost microbial community composition only millennia after inundation but not on time-scales of centuries. Changes in the community composition as well as abundance were used as a measure for microbial activity and the microbial response to changing thermal and geochemical conditions. The results were discussed in the context of permafrost temperature, pore water composition, paleo-climatic proxies and sediment age. The combination of permafrost warming and increasing salinity as well as permafrost warming alone resulted in a disturbance of the microbial communities at least on time-scales of centuries. This was expressed by a loss of microbial abundance and bacterial diversity. At the same time, the bacterial community of seawater unaffected but warmed permafrost was mainly determined by environmental and climatic conditions at the time of sediment deposition. A stimulating effect of warming was observed only in seawater unaffected permafrost after millennia-scale inundation, visible through increased microbial abundance and reduced amounts of substrate. Despite submarine exposure for centuries to millennia, the community of bacteria in submarine permafrost still generally resembled the community of terrestrial permafrost. It was dominated by phyla like Actinobacteria, Chloroflexi, Firmicutes, Gemmatimonadetes and Proteobacteria, which can be active under freezing conditions. Moreover, the archaeal communities of both study sites were found to harbor high abundances of marine and terrestrial anaerobic methane oxidizing archaea (ANME). Results also suggested ANME populations to be active under in situ conditions at subzero temperatures. Modeling showed that potential anaerobic oxidation of methane (AOM) could mitigate the release of almost all stored or microbially produced methane from thawing submarine permafrost. Based on the findings presented in this thesis, permafrost warming and thawing under submarine conditions as well as permafrost warming without thaw are supposed to have marginal effects on the microbial abundance and community composition, and therefore likely also on carbon mobilization and the formation of methane. Thawing under submarine conditions even stimulates AOM and thus mitigates the release of methane. N2 - Die globale Erwärmung beeinträchtigt die Arktische Region besonders stark. Im Vergleich zum globalen Mittel sind die Temperaturen in den hohen Breitengraden am stärksten gestiegen und werden voraussichtlich auch weiterhin am stärksten ansteigen. Das ist äußerst kritisch, da arktische Böden und die flachen Schelfgebiete des Arktischen Ozeans von Permafrost geprägt sind. Dieser mehrjährig gefrorene Boden ist ein Habitat für eine große Anzahl und Diversität von Mikroorganismen, die lebensfähig sind und auch unter gefrorenen Bedingungen aktiv sein können. Einerseits machen eine Erwärmung und das Tauen des Permafrosts gespeicherten organischen Kohlenstoff zugänglicher für die Mikroorganismen. Diese können den Kohlenstoff in die Treibhausgase Kohlenstoffdioxid, Methan und Distickstoffoxid umwandeln. Andererseits stimuliert das Tauen des gefrorenen Bodens die mikrobielle Aktivität und den Kohlenstoffumsatz. Das kann zu einem sich verstärkenden Rückkopplungsprozess aus Erwärmung und Freisetzung von Treibhausgasen führen. Submariner Permafrost umfasst den größten Teil des Ostsibirischen Arktisschelfs und enthält ein großes, wenn auch nicht quantifiziertes Kohlenstoffreservoir. Der submarine Permafrost wird jedoch nicht nur durch Veränderungen des Wärmehaushalts beeinflusst, sondern auch durch drastische Veränderungen in der geochemischen Zusammensetzung. Durch den holozänen Meeresspiegelanstieg und durch Küstenerosion wurde der unter terrestrischen Bedingungen gebildete Permafrost überflutet. Ein Eindringen von Meerwasser führte in den Permafrostsedimenten zu einem Anstieg der Porenwasser-Salinität und dadurch zum Tauen des Permafrosts in den oberen Schichten, sogar bei Temperaturen unter 0 °C. Tiefer liegende Permafrostsedimente, die (noch) nicht vom Meerwasser beeinflusst wurden, blieben eis-gebunden, aber begannen sich durch den Wärmestrom des Meerwassers zu erwärmen. Das Ziel dieser Dissertation war es, die mikrobiellen Gemeinschaften in submarinem Permafrost zu untersuchen. Der Fokus lag dabei auf der Reaktion der Gemeinschaften auf den Einfluss des Meerwassers und die Langzeiterwärmung. Die Arbeit nutzt dafür einen kombinierten Ansatz aus molekularbiologischen und physikochemischen Analysen. Die mikrobielle Abundanz, Gemeinschaftszusammensetzung und -struktur sowie die Diversität wurden in Sedimentbohrkernen zweier Standorte in der Laptew See untersucht, welche seit Jahrhunderten bis Jahrtausenden submarinen Bedingungen ausgesetzt waren. Die mikrobielle Abundanz wurde mit Hilfe von Zellzahlen und Kopienzahlen des 16S rRNA Gens sowie funktioneller Gene bestimmt, die kennzeichnend für die Methanproduktion (mcrA) und Sulfatreduktion (dsrB) sind. Die mikrobielle Gemeinschaft wurde mit Hilfe der Hochdurchsatz-Sequenzierung des 16S rRNA Gens charakterisiert. Physikochemische Analysen beinhalteten die Untersuchung der geochemischen Zusammensetzung der Porenwassers und der stabilen Wasserisotopen. Beide Zusammensetzungen wurden genutzt, um den Grad des Meerwassereinflusses auf die Permafrostsedimente zu beschreiben. Ein Hauptergebnis der Arbeit ist, dass sich submariner Permafrost sowohl nach Jahrhunderten als auch nach Jahrtausenden der Überflutung in verschiedene Schichten, sogenannte Porenwassereinheiten, unterteilen lässt: (i) Sedimente, die sich mit dem Meeresboden vermischt haben, (ii) Sedimente, die vom Meerwasser infiltriert wurden und (iii) Sedimente, die vom Meerwasser unbeeinflusst sind. Diese Schichtenbildung spiegelt sich erst nach jahrtausendelanger Überflutung auch in der mikrobiellen Gemeinschaftszusammensetzung wider, nicht jedoch nach Jahrhunderten. Änderungen sowohl in der Gemeinschaftszusammensetzung als auch in der Abundanz wurden als Maß für mikrobielle Aktivität und die mikrobielle Reaktion auf die sich ändernden thermischen und geochemischen Bedingungen genutzt. Die Ergebnisse wurden im Kontext von Permafrosttemperatur, Porenwasserzusammensetzung, paleoklimatischen Proxys und dem Sedimentalter diskutiert. Die Kombination aus Permafrosterwärmung und steigender Salinität, sowie die Permafrosterwärmung allein, resultierten auf Zeitskalen von Jahrhunderten in einer Störung der mikrobiellen Gemeinschaft. Dies drückte sich durch einen Verlust der mikrobiellen Abundanz und der bakteriellen Diversität aus. Gleichzeitig wurde die bakterielle Gemeinschaft im vom Meerwasser unbeeinflussten, aber erwärmten Permafrost hauptsächlich durch die Umweltbedingungen und das Klima zur Zeit der Sedimentablagerung geprägt. Ein stimulierender Einfluss der Erwärmung konnte im vom Meerwasser unbeeinflussten Permafrost erst nach jahrtausendelanger Überflutung beobachtet werden. Dies wurde durch einen Anstieg in der mikrobiellen Abundanz und einer Abnahme der organischen Substrate sichtbar. Obwohl die bakteriellen Gemeinschaften des Permafrostes submarinen Bedingungen für Jahrhunderte bis Jahrtausende ausgesetzt waren, unterschieden sie sich kaum von den Gemeinschaften im terrestrischen Permafrost. Die Gemeinschaft des submarinen Permafrosts wurde von Phyla wie Actinobacteria, Chloroflexi, Firmicutes, Gemmatimonadetes und Proteobacteria dominiert, welche auch unter gefrorenen Bedingungen aktiv sein können. Darüber hinaus enthielten die archaellen Gemeinschaften an beiden Standorten eine hohe Anzahl von marinen und terrestrischen anaerob methan-oxidierenden Archaeen (ANME), bei denen eine Aktivität unter in situ Bedingungen bei Minusgraden angenommen wird. Eine Modellierung zeigte, dass die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) potenziell fast die gesamte Menge des gespeicherten und mikrobiell produzierten Methans in tauendem submarinem Permafrost reduzieren könnte. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass das Tauen von Permafrost unter submarinen Bedingungen sowie eine Erwärmung ohne Tauen marginale Effekte auf die Abundanz und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften und somit wahrscheinlich auch auf die Mobilisierung von Kohlenstoff in Form von Methan hat. Das Tauen unter submarinen Bedingungen stimuliert sogar AOM und reduziert somit den Ausstoß von Methan. T2 - Mikrobielle Gemeinschaften in submarinem Permafrost and ihre Reaktion auf die Degradierung und Erwärmung des Permafrosts KW - Microbial communities KW - Subsea permafrost KW - Arctic KW - Mikrobielle Gemeinschaften KW - Submariner Permafrost KW - Arktis KW - Submarine permafrost KW - next generation sequencing KW - Hochdurchsatzsequenzierung KW - Permafrostdegradation KW - permafrost degradation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471240 ER - TY - THES A1 - Kneier, Fabian T1 - Subsea permafrost in the Laptev Sea BT - Influences on degradation, state and distribution BT - Einflüsse auf Degradation, Zustand und Verbreitung N2 - During lower sea levels in glacial periods, deep permafrost formed on large continental shelf areas of the Arctic Ocean. Subsequent sea level rise and coastal erosion created subsea permafrost, which generally degrades after inundation under the influence of a complex suite of marine, near-shore processes. Global warming is especially pronounced in the Arctic, and will increase the transition to and the degradation of subsea permafrost, with implications for atmospheric climate forcing, offshore infrastructure, and aquatic ecosystems. This thesis combines new geophysical, borehole observational and modelling approaches to enhance our understanding of subsea permafrost dynamics. Three specific areas for advancement were identified: (I) sparsity of observational data, (II) lacking implementation of salt infiltration mechanisms in models, and (III) poor understanding of the regional differences in key driving parameters. This study tested the combination of spectral ratios of the ambient vibration seismic wavefield, together with estimated shear wave velocity from seismic interferometry analysis, for estimating the thickness of the unfrozen sediment overlying the ice-bonded permafrost offshore. Mesoscale numerical calculations (10^1 to 10^2 m, thousands of years) were employed to develop and solve the coupled heat diffusion and salt transport equations including phase change effects. Model soil parameters were constrained by borehole data, and the impact of a variety of influences during the transgression was tested in modelling studies. In addition, two inversion schemes (particle swarm optimization and a least-square method) were used to reconstruct temperature histories for the past 200-300 years in the Laptev Sea region in Siberia from two permafrost borehole temperature records. These data were evaluated against larger scale reconstructions from the region. It was found (I) that peaks in spectral ratios modelled for three-layer, one-dimensional systems corresponded with thaw depths. Around Muostakh Island in the central Laptev Sea seismic receivers were deployed on the seabed. Derived depths of the ice-bonded permafrost table were between 3.7-20.7 m ± 15 %, increasing with distance from the coast. (II) Temperatures modelled during the transition to subsea permafrost resembled isothermal conditions after about 2000 years of inundation at Cape Mamontov Klyk, consistent with observations from offshore boreholes. Stratigraphic scenarios showed that salt distribution and infiltration had a large impact on the ice saturation in the sediments. Three key factors were identified that, when changed, shifted the modelled permafrost thaw depth most strongly: bottom water temperatures, shoreline retreat rate and initial temperature before inundation. Salt transport based on diffusion and contribution from arbitrary density-driven mechanisms only accounted for about 50 % of observed thaw depths at offshore sites hundreds to thousands of years after inundation. This bias was found consistently at all three sites in the Laptev Sea region. (III) In the temperature reconstructions, distinct differences in the local temperature histories between the western Laptev Sea and the Lena Delta sites were recognized, such as a transition to warmer temperatures a century later in the western Laptev Sea as well as a peak in warming three decades later. The local permafrost surface temperature history at Sardakh Island in the Lena Delta was reminiscent of the circum-Arctic regional average trends. However, Mamontov Klyk in the western Laptev Sea was consistent to Arctic trends only in the most recent decade and was more similar to northern hemispheric mean trends. Both sites were consistent with a rapid synoptic recent warming. In conclusion, the consistency between modelled response, expected permafrost distribution, and observational data suggests that the passive seismic method is promising for the determination of the thickness of unfrozen sediment on the continental Arctic shelf. The quantified gap between currently modelled and observed thaw depths means that the impact of degradation on climate forcing, ecosystems, and infrastructure is larger than current models predict. This discrepancy suggests the importance of further mechanisms of salt penetration and thaw that have not been considered – either pre-inundation or post-inundation, or both. In addition, any meaningful modelling of subsea permafrost would have to constrain the identified key factors and their regional differences well. The shallow permafrost boreholes provide missing well-resolved short-scale temperature information in the coastal permafrost tundra of the Arctic. As local differences from circum-Arctic reconstructions, such as later warming and higher warming magnitude, were shown to exist in this region, these results provide a basis for local surface temperature record parameterization of climate and, in particular, permafrost models. The results of this work bring us one step further to understanding the full picture of the transition from terrestrial to subsea permafrost. N2 - Als zu glazialen Zeiten der Meeresspiegel niedriger lag, konnte sich tiefer Permafrost (Dauerfrostboden) in weiten Teilen der Kontinentalschelfgebiete des arktischen Ozeans bilden. Durch den darauf folgenden Meeresspiegelanstieg und Küstenerosion wurde dieser überflutet und es entstand submariner Permafrost. Seit der Überflutung wird dieser durch eine Reihe komplexer mariner Prozesse in der küstennahen Zone degradiert. Die Klimaerwärmung ist in der Arktis besonders ausgeprägt, wodurch sich die Überflutung durch Küstenerosion sowie diese Degradationsprozesse in Zukunft weiter intensivieren werden. Dies wird weitreichende Konsequenzen für das Klimasystem (Freisetzung von Treibhausgasen), Offshore-Infrastruktur als auch aquatische Ökosysteme haben. Diese Dissertation kombiniert neue geophysikalische, Bohrlochbeobachtungs-basierte und Modellierungsansätze, um unser Verständnis der speziellen Dynamik des submarinen Permafrosts zu verbessern. Drei spezifische Bereiche wurden identifiziert, welche das derzeitige Verständnis zum submarinen Permafrost maßgeblich einschränken, und in dieser Arbeit gezielt weiterentwickelt wurden: (I) Die spärliche Verfügbarkeit von Beobachtungsdaten, (II) die fehlende Implementation von Salzinfiltrationsmechanismen in Modelbeschreibungen und (III) das mangelnde Verständnis der regionalen Unterschiede von treibenden Einflußparametern. Hierfür wurde die Kombination spektraler Amplitudenverhältnisse der Umgebungsschwingungen im seismischen Wellenfeld (seismisches Hintergrundrauschen) mit der aus seismischer Interferometrie abgeschätzten Scherwellengeschwindigkeit zur Bestimmung der Mächtigkeit der aufgetauten Sedimentschicht oberhalb des eisgebundenen Permafrosts im Meeresboden getestet. Numerische Simulationen (auf der Skala von 10^1 bis 10^2 m, tausende Jahre) wurden zur Entwicklung und Lösung der gekoppelten Wärmeleitungs- und Salztransportgleichungen unter Berücksichtigung von Phasenübergängen angewandt. Hierbei wurden die Modelparameter zur Untergrundbeschaffenheit aus Bohrlochdaten bestimmt und die Auswirkungen verschiedener Parameter während der Meeresüberflutung untersucht. Zusätzlich wurden zwei Inversionsalgorithmen (Partikelschwarmoptimierung und ein Verfahren der kleinsten Quadrate) verwendet, um die Temperaturen der letzten 200-300 Jahre in der Laptewsee-Region in Sibirien anhand zweier Temperaturdatensätze aus Permafrostbohrlöchern zu rekonstruieren. Diese Daten wurden im Vergleich zu größerskaligen Rekonstruktionen aus der Region ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, (I) dass die Höchstwerte im spektralen Amplitudenverhältnis, die für den eindimensionalen Fall eines 3-Schicht-Systems modelliert wurden, mit der Auftautiefe zusammenhingen. Seismische Instrumente wurden auf dem Meeresboden um die Insel Muostakh, in der zentralen Laptewsee gelegen, ausgebracht. Die gefundenen Tiefen der eisgebundenen Permafrosttafel lagen zwischen 3.7-20.7 m ± 15 %, und nahmen mit zunehmender Entfernung zur Küste zu. (II) Die modellierten Temperaturen während des Übergangs zum submarinen Permafrost entsprachen ab etwa 2000 Jahren nach der Überflutung isothermischen Bedingungen bei Cape Mamontov Klyk, in Übereinstimmung zu den Beobachtungen in den Bohrlöchern. Stratigrafische Szenarien zeigten, dass die Salzverteilung und -infiltration großen Einfluß auf den Sättigungszustand des Poreneises im Sediment hatte. Drei Schlüsselfaktoren wurden identifiziert, welche, wenn diese verändert wurden, die modellierte Auftautiefe des Permafrosts am stärksten beeinflussten: Die Temperaturen am Meeresboden, die Küstenerosionsrate und die Anfangstemperatur zum Zeitpunkt der Überflutung. Salztransport unter Berücksichtigung von Diffusion und beliebigen dichte-getriebenen Mechanismen unterschätzte die beobachteten Auftautiefen um circa 50 % über hunderte bis tausende von Jahren nach der Überflutung. Diese Abweichung wurde konsistent an allen drei Untersuchungsstandorten in der Laptewsee-Region gefunden. (III) In den Temperaturrekonstruktionen wurden deutliche Unterschiede im lokalen Temperaturverlauf zwischen den Standorten in der westlichen Laptewsee und im Lena Delta festgestellt. Dazu gehörte ein Übergang zu wärmeren Temperaturen ein Jahrhundert später in der westlichen Laptewsee, sowie ein Maximum der Erwärmung drei Jahrzehnte später als im Lena Delta. Die lokale Permafrost-Oberflächentemperaturhistorie auf der Insel Sardakh im Lena Delta glich den zirkumarktischen mittleren Trends. Im Gegensatz dazu stimmte Mamontov Klyk in der westlichen Laptewsee nur im jüngsten Jahrzehnt mit den arktischen Trends überein und glich vielmehr dem mittleren Trend der Nordhemisphäre. Beide Standorte stimmten mit einer schnellen, synoptischen und kürzlichen Erwärmung überein. Abschließend lässt sich festhalten, dass auf Grund der Übereinstimmung zwischen modelliertem Verhalten, erwarteter Permafrostverteilung und Beobachtungsdaten die passiv-seismische Methode vielversprechend für die Dickebestimmung der ungefrorenen Sedimente im arktischen Meeresboden ist. Durch die hier quantifizierte Diskrepanz zwischen aktuell modellierter und beobachteter Auftautiefen wird klar, dass die Auswirkung der Degradation auf Klimaantrieb, Ökosysteme und Infrastruktur größer ist als dies von aktuellen Modellen vorhergesagt wird. Um diese Diskrepanz zu eliminieren, müssen weitere bisher unberücksichtigte Mechanismen der Salzeindringung und des Auftauens vor oder nach der Überflutung in zukünftigen Modellen mit einbezogen werden. Des weiteren folgt aus dieser Arbeit, dass Modellierungen des submarinen Permafrosts die hier identifizierten Schlüsselfaktoren und ihre regionalen Unterschiede berücksichtigen müssen, um ihre Aussagekraft sicher zu stellen. Die Permafrostbohrlöcher liefern bisher fehlende, auf kurzer Zeitskala gut-aufgelöste Temperaturinformationen in der arktischen Küstentundra. Da lokale Abweichungen von zirkumarktischen Rekonstruktionen in dieser Region nachgewiesen werden konnten, stellen die Ergebnisse eine Grundlage für lokale Temperaturverlaufs-Parametrisierungen in Klima- und insbesondere Permafrostmodellen zur Verfügung. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen die Richtung für zukünftige Forschungs- und Modellierungsvorhaben und stellen einen wichtigen Schritt dar, um den Übergang von terrestrischem zu submarinem Permafrost zu verstehen. T2 - Submariner Permafrost in der Laptewsee KW - Subsea permafrost KW - Submarine permafrost KW - Inundation KW - Ambient noise KW - Passive seismic interferometry KW - H/V ratio KW - Coupled heat and mass transport KW - Salt transport KW - Diffusion KW - Temperature reconstruction KW - Borehole reconstruction KW - GST KW - Submariner Permafrost KW - Überflutung KW - seismisches Hintergrundrauschen KW - Passiv-seismische Interferometrie KW - H/V Verhältnis KW - Gekoppelter Wärme- und Massetransport KW - Salztransport KW - Diffusion KW - Temperaturerekonstruktion KW - Bohrloch-Rekonstruktion KW - GST Y1 - 2019 ER -