TY  - THES
A1  - Windirsch-Woiwode, Torben
T1  - Permafrost carbon stabilisation by recreating a herbivore-driven ecosystem
T1  - Stabilisierung von Permafrostkohlenstoff durch die Wiedereinführung eines Herbivor-geprägten Ökosystems
N2  - With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere.
By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region.
N2  - Mit dem arktischen Boden als riesigem und temperatursensiblen Kohlenstoffspeicher ist die Aufrechterhaltung niedriger Bodentemperaturen und gefrorener Bedingungen zur Verhinde-rung weiterer Kohlenstoffemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, ein Schlüs-selelement im Kampf der Menschheit, die Erde weiterhin bewohnbar zu halten. Vorangehen-de Studien ergaben, dass die Bodenbedingungen in der Arktis während des späten Pleisto-zäns im Allgemeinen kälter und dadurch stabiler waren, als Ergebnis eines Ökosystems, das von großen pflanzenfressenden Säugetieren und weiten Flächen grasartiger Vegetation do-miniert wurde - der Mammutsteppe. Gekennzeichnet durch hohe Pflanzenproduktivität (Gras-land) und geringe Bodenisolierung aufgrund von Kompression und Schneeräumung durch Tiere, ermöglichte dieses Ökosystem eine tiefreichende Entwicklung des Permafrosts. Heut-zutage, mit der vorherrschenden Tundra- und Strauchvegetation in der Arktis, sind diese Ef-fekte nicht mehr präsent. Es scheint aber möglich, dieses Ökosystem lokal durch künstliche Erhöhung der Tierbestände nachzubilden und somit den arktischen Boden kühl zu halten, um den Abbau von organischem Material und die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern.
Durch Messungen der Auftautiefe, des Gesamtgehalts des organischen Kohlenstoffs und Stickstoffs, des stabilen Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses, des Radiocarbonalters, der 
n-Alkan- und Alkoholcharakteristika sowie durch Bestimmung der vorherrschenden Vegetati-onstypen entlang von Beweidungsgradienten in zwei unterschiedlichen arktischen Gebieten habe ich festgestellt, dass die Schaffung ähnlicher Bedingungen wie in der Mammutsteppe möglich sein könnte. Für durch Permafrost beeinflusste Böden konnte ich zeigen, dass eine intensive Beweidung im direkten Vergleich mit unbeweideten Gebieten die Tiefe der Auftau-schicht verringert und zu höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff im oberen Bodenbe-reich führt. Für im Winter nur oberflächlich gefrorene Böden konnte kein Anstieg des organi-schen Kohlenstoffgehalts mit zunehmender Beweidungsintensität festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Störfaktoren wie vertikalen Wasser- und Kohlenstoffbe-wegungen, die nicht durch eine undurchlässige Schicht wie beim Permafrost begrenzt sind. In beiden Gebieten führte eine hohe Tieraktivität zu einer Umwandlung der Vegetation hin zu artenarmen, von Gräsern dominierten Landschaften mit weniger Sträuchern. Die Analyse von Lipid-Biomarkern ergab, dass das verfügbare organische Material zwar zwischen den Unter-suchungsgebieten unterschiedlich war, aber sowohl in Permafrostgebieten als auch in saiso-nal gefrorenen Böden in Bereichen mit hoher Tieraktivität weniger stark zersetzt war als unter geringerer Beweidungsintensität. Zusammenfassend beeinflusst eine hohe Tieraktivität die Zersetzungsvorgänge in arktischen Böden und das thermische Regime des Bodens, was sich in einer reduzierten Tiefe der Auftauschicht in Permafrostgebieten widerspiegelt. Daher könn-te das Beweidungsmanagement in Zukunft aktiv eingesetzt werden, um den Permafrost lokal zu stabilisieren und gefroren zu halten sowie die Kohlenstoffemissionen in der Arktis zu ver-ringern. Aufgrund der Größe der Fläche, die in der terrestrischen Arktis von Permafrost be-einflusst ist, wird ein solches Beweidungsmanagement aber nicht als Maßnahme auf die ge-samte Permafrostregion ausgedehnt werden können.
KW  - permafrost
KW  - carbon
KW  - climate change
KW  - grazing
KW  - Arctic
KW  - Arktis
KW  - Kohlenstoff
KW  - Klimawandel
KW  - Beweidung
KW  - Permafrost
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624240
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weege, Stefanie
T1  - Climatic drivers of retrogressive thaw slump activity and resulting sediment and carbon release to the nearshore zone of Herschel Island, Yukon Territory, Canada
T1  - Einfluss des Klimas auf das Auftauen einer rückschreitenden Erosionsfront und die daraus resultierende Sediment- und Kohlenstofffreigabe in den Küstenbereich von Herschel Island, Kanada
N2  - The Yukon Coast in Canada is an ice-rich permafrost coast and highly sensitive to changing environmental conditions. Retrogressive thaw slumps are a common thermoerosion feature along this coast, and develop through the thawing of exposed ice-rich permafrost on slopes and removal of accumulating debris. They contribute large amounts of sediment, including organic carbon and nitrogen, to the nearshore zone.

The objective of this study was to 1) identify the climatic and geomorphological drivers of sediment-meltwater release, 2) quantify the amount of released meltwater, sediment, organic carbon and nitrogen, and 3) project the evolution of sediment-meltwater release of retrogressive thaw slumps in a changing future climate.

The analysis is based on data collected over 18 days in July 2013 and 18 days in August 2012. A cut-throat flume was set up in the main sediment-meltwater channel of the largest retrogressive thaw slump on Herschel Island. In addition, two weather stations, one on top of the undisturbed tundra and one on the slump floor, measured incoming solar radiation, air temperature, wind speed and precipitation. The discharge volume eroding from the ice-rich permafrost and retreating snowbanks was measured and compared to the meteorological data collected in real time with a resolution of one minute.

The results show that the release of sediment-meltwater from thawing of the ice-rich permafrost headwall is strongly related to snowmelt, incoming solar radiation and air temperature. Snowmelt led to seasonal differences, especially due to the additional contribution of water to the eroding sediment-meltwater from headwall ablation, lead to dilution of the sediment-meltwater composition. Incoming solar radiation and air temperature were the main drivers for diurnal and inter-diurnal fluctuations. In July (2013), the retrogressive thaw slump released about 25 000 m³ of sediment-meltwater, containing 225 kg dissolved organic carbon and 2050 t of sediment, which in turn included 33 t organic carbon, and 4 t total nitrogen. In August (2012), just 15 600 m³ of sediment-meltwater was released, since there was no additional contribution from snowmelt. However, even without the additional dilution, 281 kg dissolved organic carbon was released. The sediment concentration was twice as high as in July, with sediment contents of up to 457 g l-1 and 3058 t of sediment, including 53 t organic carbon and 5 t nitrogen, being released.

In addition, the data from the 36 days of observations from Slump D were upscaled to cover the main summer season of 1 July to 31 August (62 days) and to include all 229 active retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast. In total, all retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast contribute a minimum of 1.4 Mio. m³ sediment-meltwater each thawing season, containing a minimum of 172 000 t sediment with 3119 t organic carbon, 327 t nitrogen and 17 t dissolved organic carbon. Therefore, in addition to the coastal erosion input to the Beaufort Sea, retrogressive thaw slumps additionally release 3 % of sediment and 8 % of organic carbon into the ocean. Finally, the future evolution of retrogressive thaw slumps under a warming scenario with summer air temperatures increasing by 2-3 °C by 2081-2100, would lead to an increase of 109-114% in release of sediment-meltwater.

It can be concluded that retrogressive thaw slumps are sensitive to climatic conditions and under projected future Arctic warming will contribute larger amounts of thawed permafrost material (including organic carbon and nitrogen) into the environment.
N2  - Die Yukon Küste in Kanada ist eine eisreiche Permafrost Küste und reagiert hoch sensibel auf verändernde Umweltbedingungen. Rückschreitende auftaubedingte Rutschungen sind vielzählig entlang der Küste und entstehen, wenn exponierter eisreicher Permafrost an Hängen auftaut und der daraus resultierende Schlamm abtransportiert wird. Diese Rutschungen tragen große Mengen von Sediment, inklusive organischen Kohlenstoff und Stickstoff, in den küstennahen Bereich.

Das Ziel dieser Studie war 1) die klimatischen und geomorphologischen Antriebskräfte für die Freisetzung von Sediment-Schmelzwasser zu identifizieren 2) die Mengen an Schmelzwasser, Sediment, organischen Kohlenstoff und Stickstoff zu quantifizieren und 3) die Entwicklung der Sediment-Schmelzwasser-Freigabe von rückschreitenden Rutschungen unter zukünftigen klimatischen Veränderungen abzuschätzen.

Die größte rückschreitende Rutschung auf Herschel Island wird als „Slump D“ bezeichnet und steht im Fokus dieser Arbeit. Die Analysen basierten auf den Daten, die über 18 Tage im Juli (2013) und 18 Tage im August (2012) erhoben wurden. Eine Abfluss-Messrinne wurde in den Haupt-Sediment-Schmelzwasser-Kanal eingebaut, um die Sediment-Schmelzwassermassen zu erfassen. Zusätzlich wurden zwei Wetterstationen aufgebaut (auf der unberührten Tundra und innerhalb der Erosionsfläche), die Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und Niederschlagsmenge aufzeichneten. Das Abflussvolumen, das vom auftauenden, eisreichen Permafrost und den schmelzenden Schneebänken ablief, wurde gemessen und mit den meteorologischen Daten in Echtzeit mit einer Auflösung von einer Minute verglichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Freigabe von Sediment-Schmelzwasser beim Auftauen der eisreichen Permafrost-Steilklippe stark von Schneeschmelze, Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur abhängen. Die Schneeschmelze führt zu saisonalen Unterschieden, besonders durch den zusätzlichen Betrag von Wasser zu dem erodierenden Sediment-Schmelzwasser der auftauenden Steilklippe. Dies führt zu einer Verdünnung des Sediment-Schmelzwassers. Sonneneinstrahlung und Lufttemperaturen waren die Hauptantriebskräfte für die Schwankungen im Tagesverlauf und die Unterschiede zwischen den Tagen. Die rückschreitende Rutschung gab im Juli (2013) ungefähr 25 000 m³ Sediment-Schmelzwasser frei, welches 225 kg gelösten organischen Kohlenstoff, 2050 t Sediment, inklusive 33 t organischen Kohlenstoff und 4 t Stickstoff enthielt. Im August (2012) fehlte der zusätzliche Eintrag der Schneeschmelze und das Sediment-Schmelzwasser-Volumen war geringer mit 15 600 m³. Dennoch, ohne die zusätzliche Verdünnung, wurden 281 kg gelöster organischer Kohlenstoff freigesetzt. Die Sedimentkonzentration war doppelt so hoch und führte zu einem Sedimentgehalt mit bis zu 457 g l-1 zu 3058 t Sediment, inklusive 53 t organischen Kohlenstoff und 5 t Stickstoff.

Zusätzlich wurden die Daten der 36-tägigen Abflussmessung der rückschreitenden Rutschung auf 62 Tage, von 1. Juli bis 31. August auf alle 229 aktiven Rutschungen entlang der Yukon Küste hochgerechnet. Es wurde diskutiert, dass alle rückschreitenden Rutschungen entlang der Yukon Küste zusammen mindestens 1,4 Mio. m³ Sediment-Schmelzwasser während jeder Auftausaison freigeben. Diese enthalten ein Minimum von 172 000 t Sediment, 3119 t organischen Kohlenstoff, 327 t Stickstoff und 17 t gelösten organischen Kohlenstoff. Daher kann zusammengefasst werden, dass zusätzlich zur Küstenerosion von allen Rutschungen noch ein zusätzlicher Beitrag von 3 % Sediment und 8 % organischen Kohlenstoff in die Beaufort See eingetragen wird. Schließlich wurde die zukünftige Entwicklung dieser rückschreitenden Rutschungen bei einem Temperaturanstieg von 2-3 °C bis 2081-2100 diskutiert. Dies könnte zu einem Anstieg der Sediment-Schmelzwasser-Freigabe von 109-114 % führen.

Es kann daraus geschlossen werden, dass rückschreitende Rutschungen sensibel auf Klimabedingungen reagieren und mit der Arktischen Erwärmung größere Mengen an auftauenden Permafrost (inklusive organischen Kohlenstoff und Stickstoff) in die Umwelt freigeben werden.
KW  - permafrost
KW  - arctic
KW  - Canada
KW  - coast
KW  - erosion
KW  - Permafrost
KW  - Arktik
KW  - Kanada
KW  - Küste
KW  - Erosion
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397947
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ramage, Justine Lucille
T1  - Impact of Hillslope Thermokarst on the Nearshore Carbon Budget Along the Yukon Coast, Canada
N2  - In ice-rich permafrost regions, changes in the permafrost thermal regime cause surface disturbances. These changes are amplified by the increase in air temperatures recorded in the Arctic in the past decades. Thermokarst is a process that leads to surface subsidence and formation of characteristic landforms following thawing of ice-rich permafrost or melting of massive ice. Thermokarst is widespread on hillslopes and the number of associated landforms is increasing in the Arctic. Through this process large amounts of material are eroded and transported to the sea or accumulate along hillslopes. While hillslope thermokarst modifies terrestrial and aquatic ecosystems, there is limited understanding of its environmental impact at a regional scale. In this thesis we quantify the environmental impacts of hillslope thermokarst on the valley and nearshore ecosystems along the Yukon Coast, Canada. Using supervised machine learning, we identified geomorphic factors that favour the development of coastal retrogressive thaw slump (RTS), one of the most dynamic hillslope thermokarst landform. Coastal geomorphology and ground ice type and content play a major role in RTS occurrence. Using aerial photographs and satellite imagery, we traced the evolution of RTSs between 1952 and 2011. During this time, the number and areal coverage of RTSs increased by 73%. RTSs eroded and partly released to the nearshore zone organic carbon contained in millions of cubic meters of material. Our results show that 56% of the RTSs identified along the coast in 2011 have eroded 16.6 × 10^6 m3 of material; a large part (45%) was transported alongshore due to coastal processes. Moreover, we show that RTSs are a major contributor to the carbon budget in the nearshore ecosystem: 17% of the coastal RTSs identified in 2011 contributed annually up to 0.6% of the organic carbon released by coastal retreat along the Yukon Coast. To assess the impact of hillslope thermokarst on the terrestrial ecosystem, we measured the spatial distribution of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) along hillslopes in three Arctic valleys. We highlight the high spatial variability in the distribution of SOC and TN in
the valleys. This distribution is caused by complex soil processes occurring along the hillslopes. Hillslope thermokarst impacts the degradation of organic matter and affects the storage of SOC and TN.
N2  - Veränderungen im thermalen Regime des Permafrosts verursachen Störungen der Erdoberfläche. Diese Veränderungen werden durch die in der Arktis seit Jahrzehnten ansteigenden Temperaturen verstärkt. Thermokarst ist ein Prozess, welcher die Erdoberfläche durch Schmelzen von Grundeis, oder Auftauen von Permafrost absacken lässt, wodurch charakteristische Landformen entstehen. Thermokarst ist vor allem entlang von Hängen weit verbreitet und die Anzahl der damit verbundenen Landformen in der Arktis steigt stetig an. Dieser Prozess mobilisiert große Mengen an Material, welche in Richtung Meer transportiert oder entlang von Hängen akkumuliert werden. Während entlang von Hängen auftretender Thermokarst terrestrische sowie aquatische Ökosysteme stark verändert, ist dessen Einfluss auf regionaler Skala zurzeit noch Gegenstand der Forschung.
In dieser Arbeit quantifizieren wir die Auswirkungen von Thermokarstprozessen entlang von Hängen auf die umliegenden Ökosysteme der küstennahen Täler und Nahküstenbereiche entlang der Yukon Küste in Kanada. Mittels überwachtem maschinellen Lernen haben wir geomorphische Faktoren identifiziert, welche die Entwicklung von retrogressiven Auftaurutschungen (RTS) begünstigen. RTS sind eine Erscheinungsform von Thermokarst entlang von Hängen. Die Küstengeomorphologie, sowie der Grundeistyp und -inhalt sind die wesentlichen bestimmenden Faktoren für das Auftreten von RTS. Wir haben Luftbildaufnahmen und Satellitenbilder genutzt, um die Evolution von RTS im Zeitraum von 1952 bis 2011 zu verfolgen. Während dieser Zeit ist die Anzahl und Ausdehnung von RTS linear angestiegen. Wir zeigen, dass 56% der RTS welche entlang der Küste in 2011 identifiziert wurden, 16.6 × 106 m3 an Material erodiert haben. Hiervon wurden 45% durch Küstenprozesse entlang der Küste transportiert. RTS tragen wesentlich zu dem Kohlenstoff-Budget des Nahküstenbereiches bei: 17% der in 2011 identifizierten RTS, haben 0.6% des organischen Kohlenstoffes transportiert, welcher durch Küstenerosion entlang der Yukon Küste jährlich freigesetzt wird. Um den Einfluss von Thermokarst entlang von Hängen auf das terrestrische Ökosystem zu beurteilen, haben wir die räumliche Verteilung von organischem Bodenkohlenstoff und Stickstoff (SOC, TN) entlang von Hangprofilen in drei arktischen Tälern analysiert.Wir weisen auf eine hohe räumliche Variabilität in der Verteilung von SOC und TN hin, welche auf komplexe Bodenprozesse zurückzuführen ist, welche entlang von Hängen auftreten. Thermokarst entlang von Hängen hat einen großen Einfluss auf die Degradierung von organischem Material und die Speicherung von SOC und TN.
N2  - Le changement climatique est la cause de la dégradation rapide du pergélisol à travers les régions arctiques et subarctiques. Cette dégradation s’exprime par des changements dans la taille, l’abondance et la structure des glissements rétrogressifs dus au dégel (GRD) et autres processus de pente thermokarstiques. Ces processus d’érosion des pentes contribuent au transport de sédiments vers l’Océan Arctique. Bien que l’impact des processus thermokarstiques sur les écosystèmes terrestres et aquatiques soit reconnu, il n’y a toujours pas d’étude qui quantifie leurs impacts sur les écosystèmes côtiers de l’Arctique. Dans cette thèse, nous quantifions les impacts des thermokarstes de pente dans les vallées et le long de la côte du Yukon, Canada. Nous avons utilisé des méthodes statistiques telles que les arbres de classification et les régressions logistiques pour identifier les facteurs qui favorisent le développement des GRD, un des modelés de dégradation du pergélisol le plus actif. La géomorphologie côtière ainsi que la nature et la quantité de glace dans le sol jouent un rôle prépondérant dans le développement des GRD. En utilisant des images satellite et des photos aériennes, nous avons suivi l’évolution des glissements rétrogressifs dus au dégel entre 1952 et 2011. Sur cette période, le nombre et l’étendue des GRD ont augmenté de 73% le long de la côte du Yukon. Les GRD ont érodé et partiellement relâché dans l’océan du carbon organic contenu dans des millions de mètres cubes de sédiments. Nos résultats montrent que 56% des GRD identifiés le long de la côte en 2011 ont érodé 16.6 × 106 m3 de sédiments; 45% a été transporté dans l’océan. De plus, notre étude montre que les GRD ont un rôle majeur sur le budget du carbone dans les milieux côtiers : 17% des GRD identifiés en 2011 ont relâché 0.6% du carbone érodé annuellement du fait de l’érosion côtière. Nous avons aussi étudié la dégradation du pergélisol le long des pentes des vallées périglaciaires, dans l’objectif de comprendre leurs impacts sur les sols et sur les stocks de carbone et d’azote. Nos résultats montrent qu’il y a une grande variabilité dans la distribution du carbone et de l’azote dans les vallées. Ces disparités sont causées par de complexes processus thermiques au niveau des sols. Les processus de pente thermokarstiques ont un impact important sur la dégradation de la matière organique dans les sols et affectent le stockage du carbone et de l’azote dans les régions Arctiques de pergélisol.
KW  - permafrost
KW  - thermokarst
KW  - soil organic carbon
KW  - retrogressive thaw slump
KW  - thermoerosion
KW  - carbon budget
KW  - Permafrost
KW  - thermokarst
KW  - Bodenkohlenstoff
KW  - retrogressiven Auftaurutschungen
KW  - thermoerosion
KW  - Kohlenstoff-Budget
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421867
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lantuit, Hugues
T1  - The modification of arctic permafrost coastlines
T1  - Die Veränderung der arktischen Permafrostküstenlinien
N2  - The arctic region is undergoing the most rapid environmental change experienced on Earth, and the rate of change is expected to increase over the coming decades. Arctic coasts are particularly vulnerable because they lie at the interface between terrestrial systems dominated by permafrost and marine systems dominated by sea ice. An increased rise in sea level and degradation of sea-ice as predicted by the Intergovernmental Panel on Climate Change in its most recent report and as observed recently in the Arctic will likely result in greater rates of coastal retreat. An increase in coastal erosion would result in dramatic increases in the volume of sediment, organic carbon and contaminants to the Arctic Ocean. These in turn have the potential to create dramatic changes in the geochemistry and biodiversity of the nearshore zone and affect the Arctic Ocean carbon cycle. To calculate estimates of organic carbon input from coastal erosion to the Arctic Ocean, current methods rely on the length of the coastline in the form of non self-similar line datasets. This thesis however emphasizes that using shorelines drawn at different scales can induce changes in the amount of sediment released by 30% in some cases. It proposes a substitute method of computations of erosion based on areas instead of lengths (i.e. buffers instead of shoreline lengths) which can be easily implemented at the circum-Arctic scale. Using this method, variations in quantities of eroded sediment are, on average, 70% less affected by scale changes and are therefore a more reliable method of calculation. Current estimates of coastal erosion rates in the Arctic are scarce and long-term datasets are a handful, which complicates assessment and prognosis of coastal processes, in particular the occurrence of coastal hazards. This thesis aims at filling the gap by providing the first long-term dataset (1951-2006) of coastal erosion on the Bykovsky Peninsula, North-East Siberia. This study shows that the coastline, which is made of ice-rich permafrost, retreated at a mean annual rate of 0.59 m/yr between 1951and 2006. Rates were highly variable: 97.0 % of the rates observed were less than 2 m/yr and 81.6% were less than 1m/yr. However, no significant trend in erosion could be recorded despite the study of five temporal subperiods within 1951-2006. The juxtaposition of wind records could not help to explain erosion records either and this thesis emphasizes the local controls on erosion, in particular the cryostratigraphy, the proximity of the Peninsula to the Lena River Delta freshwater plume and the local topographical constraints on swell development. On ice-rich coastal stretches of the Artic, the interaction of coastal dynamics and permafrost leads to the occurrence of spectacular “C-shaped” depressions termed retrogressive thaw slumps which can reach lengths of up to 650 m. On Herschel Island and at King Point (Yukon Coastal Plain, northern Canada), topographical, sedimentological and biogeochemical surveys were conducted to investigate the present and past activity of these landforms. In particular, undisturbed tundra areas were compared with zones of former slump activity, now stabilized and re-vegetated. This thesis shows that stabilized areas are drier and less prone to plant growth than undisturbed areas and feature fundamentally different geotechnical properties. Radiocarbon dating and topographical surveys indicated until up to 300 BP a likely period of dramatic slump activity on Herschel Island, similar to the one currently observed, which led to the creation of these surfaces. This thesis hypothesizes the occurrence of a ~250 years cycle of slump activity on the Herschel Island shoreline based on the surveyed topography and cryostratigraphy and anticipates higher frequency of slump activity in the future. The variety of processes described in this thesis highlights the changing nature of the intensity and frequency of physical processes acting upon the arctic coast. It also challenges current perceptions of the threats to existing industry and community infrastructure in the Arctic. The increasing presence of humans on Artic coasts coupled with the expected development of shipping will drive an increase in economical and industrial activity on these coasts which remains to be addressed scientifically.
N2  - In der Arktis sind die derzeit stärksten Umweltänderungen weltweit zu beobachten, und es wird angenommen, dass sich deren Ausmaß sogar noch verstärken wird. Aufgrund ihrer Lage zwischen terrestrischen, von Permafrost geprägten Systemen und marinen, von Meereis geprägten Systemen, sind arktische Küstenregionen im Zuge dieses Wandels besonders sensibel. Ein verstärkter Meeresspiegelanstieg und der Rückgang des Meereises, wie vom letzten Bericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vorhergesagt und in letzter Zeit in der Arktis beobachtet, werden zu erhöhten Küstenrückzugsraten führen. Ein Anstieg der Küstenerosion würde zu einer drastischen Erhöhung von Sedimentfracht, organischem Kohlenstoff und von Schadstoffen im Arktischen Ozean führen. Durch diese wiederum drohen dramatische Änderungen in der Geochemie und Biodiversität der küstennahen Zone sowie Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf des Arktischen Ozeans. Modelle zur Berechnung des Eintrags organischen Kohlenstoffs in den Arktischen Ozean infolge von Küstenerosion basieren auf der Länge der Küstenlinie in Form von „non self-similar“ Datensätzen. Die vorliegende Arbeit zeigt jedoch, dass die Nutzung von Küstenlinien unterschiedlicher Maßstäbe Abweichungen in der berechneten Sedimentfracht von bis zu 30 % zur Folge haben kann. Es wird daher eine alternative Methode zur Berechnung von Erosionsraten vorgeschlagen, die auf Flächen, nicht auf Längenangaben basiert (z.B. Pufferzonen anstelle von Küstenlinien) und die auf einfache Art und Weise für die Zirkum-Arktis angewandt werden kann. Durch diese Methode ist die Variation der berechneten Erosionsmengen um durchschnittlich 70 % weniger von Maßstabsänderungen betroffen. Damit kann eine deutlich höhere Zuverlässigkeit in den Prognosen erreicht werden. Aktuelle Abschätzungen von Küstenerosionsraten in der Arktis sind spärlich und es gibt nur sehr wenige Langzeitdatensätze, so dass Einschätzungen und Prognosen zu Prozessen im Küstenbereich, insbesondere von dessen Gefährdung, schwierig sind. Die vorliegende Arbeit soll dazu beigetragen, diese Lücke zu schließen, indem der erste Langzeitdatensatz (1951-2006) zu Küstenerosionsraten auf der Bykovsky Halbinsel in Nordost-Sibirien bereitgestellt wird. Die Arbeit zeigt, dass die Küstenlinie auf der Bykovsky Halbinsel, die durch eisreichen Permafrost geprägt ist, im Zeitraum 1951-2006 um durchschnittlich 0,59 m pro Jahr zurückging. Die Rückzugsraten waren dabei äußerst variabel: 97 % aller ermittelten Raten betrugen weniger als 2 m und 81,6 % weniger als 1 m pro Jahr. Ein signifikanter Trend in den Erosionsraten konnte dabei jedoch trotz Analyse von fünf verschiedenen zeitlichen Epochen nicht festgestellt werden. Auch die Gegenüberstellung von Winddatensätzen kann die Erosionsraten nicht erklären. Deshalb stellt diese Arbeit die Bedeutung lokaler Kontrollmechanismen wie Kryostratigraphie, die Nähe der Bykovsky Halbinsel zum Lena-Delta und seinen Süßwasservorkommen sowie die lokale Topographie und deren Einfluss auf Wellengang und Wellenbildung heraus. Innerhalb eisreicher arktischer Küstenabschnitte führt die Interaktion zwischen Küstendynamik und Permafrost zur Ausprägung eindrucksvoller, „C-förmiger“ Depressionen, sogenannten regressiven auftaubedingten Rutschungen, die Längen von bis zu 650 m erreichen können. Auf Herschel Island und am King Point (Yukon Küste, Nordkanada) wurden topographische, sedimentologische und biogeochemische Aufnahmen durchgeführt, um die rezente und vergangene Dynamik dieser Landschaftsformen nachvollziehen zu können. Insbesondere wurden ungestörte Tundrenareale mit ehemals aktiven Rutschungszonen, die heute stabil und wiederbewachsen sind, verglichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese ehemaligen, heute stabilisierten Rutschungszonen trockenere und für Pflanzenwachstum weniger geeignete Standorte darstellen als ungestörte Bereiche und überdies fundamental andere geotechnische Eigenschaften aufweisen. Radiocarbon-Datierungen und topographische Aufnahmen weisen darauf hin, dass es auf Herschel Island und am King Point bis vor 300 Jahren eine Periode ausgeprägter, auftaubedingter Rutschungsaktivitäten ähnlich denen, die derzeit auf der Insel beobachtet werden können, gegeben haben muss, die zur Ausbildung dieser Oberflächenstrukturen geführt haben. Diese Arbeit stellt auf Grundlage der untersuchten Topographie und Kryostratigraphie die Hypothese auf, dass an der Küstenlinie von Herschel Island ein etwa 250-jähriger Zyklus von Rutschungsaktivitäten existiert und antizipiert eine höhere Frequenz im Auftreten dieser Rutschungsaktivitäten für die Zukunft. Die Vielfalt an Faktoren, die in dieser Arbeit beschrieben wurden, hebt die veränderte Intensität und Frequenz der auf arktische Küsten einwirkenden physikalischen Prozesse hervor. Dadurch werden auch aktuelle Auffassungen zur Bedrohung bestehender Industrie und Infrastruktur in der Arktis hinterfragt. Im Zusammenhang mit dem erwarteten Ausbau der Schifffahrt treibt der zunehmende anthropogene Einfluss die ökonomische und industrielle Entwicklung in arktischen Küstenregionen an, die Gegenstand einer wissenschaftlichen Betrachtung sein sollten.
KW  - Permafrost
KW  - Arktis
KW  - Küstenerosion
KW  - Thermokarst
KW  - permafrost
KW  - arctic
KW  - coastal erosion
KW  - thermokarst
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-19732
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grosse, Guido
T1  - Characterisation and evolution of periglacial landscapes in Northern Siberia during the Late Quaternary : remote sensing and GIS studies
T1  - Charakterisierung und Evolution periglazialer Landschaften in Nordsibirien während des Spätquartärs : Fernerkundungs- und GIS-Studien
N2  - About 24 % of the land surface in the northern hemisphere are underlayed by permafrost in various states. Permafrost aggradation occurs under special environmental conditions with overall low annual precipitation rates and very low mean annual temperatures. Because the general permafrost occurrence is mainly driven by large-scale climatic conditions, the distribution of permafrost deposits can be considered as an important climate indicator. The region with the most extensive continuous permafrost is Siberia. In northeast Siberia, the ice- and organic-rich permafrost deposits of the Ice Complex are widely distributed. These deposits consist mostly of silty to fine-grained sandy sediments that were accumulated during the Late Pleistocene in an extensive plain on the then subaerial Laptev Sea shelf. One important precondition for the Ice Complex sedimentation was, that the Laptev Sea shelf was not glaciated during the Late Pleistocene, resulting in a mostly continuous accumulation of permafrost sediments for at least this period. This shelf landscape became inundated and eroded in large parts by the Holocene marine transgression after the Last Glacial Maximum. Remnants of this landscape are preserved only in the present day coastal areas. Because the Ice Complex deposits contain a wide variety of palaeo-environmental proxies, it is an excellent palaeo-climate archive for the Late Quaternary in the region. Furthermore, the ice-rich Ice Complex deposits are sensible to climatic change, i.e. climate warming. Because of the large-scale climatic changes at the transition from the Pleistocene to the Holocene, the Ice Complex was subject to extensive thermokarst processes since the Early Holocene. Permafrost deposits are not only an environmental indicator, but also an important climate factor. Tundra wetlands, which have developed in environments with aggrading permafrost, are considered a net sink for carbon, as organic matter is stored in peat or is syn-sedimentary frozen with permafrost aggradation. Contrary, the Holocene thermokarst development resulted in permafrost degradation and thus the release of formerly stored organic carbon. Modern tundra wetlands are also considered an important source for the climate-driving gas methane, originating mainly from microbial activity in the seasonal active layer. Most scenarios for future global climate development predict a strong warming trend especially in the Arctic. Consequently, for the understanding of how permafrost deposits will react and contribute to such scenarios, it is necessary to investigate and evaluate ice-rich permafrost deposits like the widespread Ice Complex as climate indicator and climate factor during the Late Quaternary. Such investigations are a pre-condition for the precise modelling of future developments in permafrost distribution and the influence of permafrost degradation on global climate. The focus of this work, which was conducted within the frame of the multi-disciplinary joint German-Russian research projects "Laptev Sea 2000" (1998-2002) and "Dynamics of Permafrost" (2003-2005), was twofold. First, the possibilities of using remote sensing and terrain modelling techniques for the observation of periglacial landscapes in Northeast Siberia in their present state was evaluated and applied to key sites in the Laptev Sea coastal lowlands. The key sites were situated in the eastern Laptev Sea (Bykovsky Peninsula and Khorogor Valley) and the western Laptev Sea (Cape Mamontovy Klyk region). For this task, techniques using CORONA satellite imagery, Landsat-7 satellite imagery, and digital elevation models were developed for the mapping of periglacial structures, which are especially indicative of permafrost degradation. The major goals were to quantify the extent of permafrost degradation structures and their distribution in the investigated key areas, and to establish techniques, which can be used also for the investigation of other regions with thermokarst occurrence. Geographical information systems were employed for the mapping, the spatial analysis, and the enhancement of classification results by rule-based stratification. The results from the key sites show, that thermokarst, and related processes and structures, completely re-shaped the former accumulation plain to a strongly degraded landscape, which is characterised by extensive deep depressions and erosional remnants of the Late Pleistocene surface. As a results of this rapid process, which in large parts happened within a short period during the Early Holocene, the hydrological and sedimentological regime was completely changed on a large scale. These events resulted also in a release of large amounts of organic carbon. Thermokarst is now the major component in the modern periglacial landscapes in terms of spatial extent, but also in its influence on hydrology, sedimentation and the development of vegetation assemblages. Second, the possibilities of using remote sensing and terrain modelling as a supplementary tool for palaeo-environmental reconstructions in the investigated regions were explored. For this task additionally a comprehensive cryolithological field database was developed for the Bykovsky Peninsula and the Khorogor Valley, which contains previously published data from boreholes, outcrops sections, subsurface samples, and subsurface samples, as well as additional own field data. The period covered by this database is mainly the Late Pleistocene and the Holocene, but also the basal deposits of the sedimentary sequence, interpreted as Pliocene to Early Pleistocene, are contained. Remote sensing was applied for the observation of periglacial strucures, which then were successfully related to distinct landscape development stages or time intervals in the investigation area. Terrain modelling was used for providing a general context of the landscape development. Finally, a scheme was developed describing mainly the Late Quaternary landscape evolution in this area. A major finding was the possibility of connecting periglacial surface structures to distinct landscape development stages, and thus use them as additional palaeo-environmental indicator together with other proxies for area-related palaeo-environmental reconstructions. In the landscape evolution scheme, i.e. of the genesis of the Late Pleistocene Ice Complex and the Holocene thermokarst development, some new aspects are presented in terms of sediment source and general sedimentation conditions. This findings apply also for other sites in the Laptev Sea region.
N2  - Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen der multidisziplinären Deutsch-Russischen Verbundprojekte "Laptev See 2000" (1998-2002) und "Dynamik des Permafrost" (2003-2005) erstellt. Etwa 24 % der Landoberfläche der Erde sind von Permafrost unterlagert. Die ausgedehntesten Permafrostgebiete befinden sich heute in Sibirien. In Nordostsibirien, das während der letzten Eiszeit nicht von Inlandeismassen bedeckt bedeckt war, lagerten sich während dieser Zeit mächtige eisreiche Permafrostsedimente ab. Die durch den nacheiszeitlichen Meeresspiegelanstieg um ca. 120 Meter nur noch in den heutigen Küstengebieten erhaltenen Ablagerungen sind zum Teil hervorragende Paläoklimaarchive, die verschiedenste fossile organische Überreste der Eiszeitlichen Fauna und Flora konserviert haben. Aber auch die Sedimente und das enthalten Grundeis enthalten Klimainformationen z.B. die aus Mineralogie, Ablagerungsmilieu oder geochemischer und isotopenchemischer Zusammensetzung gewonnen werden können. Der hohe Eisgehalt in den Sedimenten führte mit Beginn der holozänen Warmzeit zur Bildung von Thermokarst und Thermo-Erosion, d.h. zu starken Zersetzungserscheinungen durch Auftauen und Erosion. Thermokarst beschreibt das Schmelzen des Grundeises und die gleichzeitig stattfindende tiefe Absenkung der betroffenen Landoberfläche. Thermokarst geht mit der Bildung von Thermokarstseen einher, deren Wasserkörper ein zusätzlicher Wärmespeicher ist und das Auftauen des darunter liegenden Permafrost verstärken kann. In Sibirien, aber auch anderen Regionen der Arktis, sind weite Gebiete von Thermokarst betroffen. Der Einfluss dieser klimabedingten großräumigen Landschaftsveränderungen in Permafrostgebieten auf den lokalen, regionalen und auch globalen Stoff- und Energiehaushalt ist bisher nur wenig untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung und Evolution von periglazialen Landschaften im nordsibirischen Laptevsee-Gebiet, die seit dem Beginn des Holozän von solchen klimatisch bedingten Veränderungen betroffen sind, und liefert damit ein Puzzleteil zum einen für die Rekonstruktion der Landschaft und Landschaftsentwicklung als auch Vorraussetzungen für das Verständnis der großräumig wirkenden geologischen und geomorphologischen Veränderungsprozesse. Die generellen Schwerpunkte, für die die vorliegende Arbeit Informationen liefert, sind die Charakterisierung von periglazialen Relief- und Oberflächentypen und die Bestimmung ihrer räumlichen Verbreitung, die Identifizierung und Quantifizierung einzelner geologischer und geomorphologischer Prozesse in diesen Landschaften, und die Rekonstruktion der Entwicklung periglazialer Landschaften im Spätquartär für Schlüsselgebiete im Küstengebiet der nordsibirischen Laptevsee. Um diese generellen Schwerpunkte zu erreichen, werden verschiedene Einzelziele in der Arbeit verfolgt: Die Entwicklung and Anwendung von Satellitenfernerkundungstechniken zur Analyse periglazialer Landschaften in Nordsibirien. Dazu werden hochauflösende Corona-Satellitendaten und multispektrale Landsat-7 Satellitendaten verwendet. Die Untersuchung von Satellitenbildern, mit dem Schwerpunkt auf Oberflächen, die von der Zersetzung des eisreichen Permafrosts betroffen sind Die Entwicklung von hochauflösenden digitalen Geländemodellen für die geomorphologische Analyse in zwei Schlüsselgebieten Die räumliche Untersuchung der gewonnenen Daten mit Hilfe von geographischen Informationssystemen, mit einem Schwerpunkt auf Form, Verteilung und Außmaß von holozänem Thermokarst Das Sammeln und Auswerten von Felddaten, mit Schwerpunkt auf Oberflächeneigenschaften periglazialer Landschaften und der Zusammensetzung der Permafrostablagerungen Die Anwendung der gewonnenen Daten zur Unterstützung, Verbesserung und Ausweitung der lokal gewonnenen Felddaten und Paläoumweltrekonstruktionen, sowie die datengestützte Entwicklung von Vorstellungen zur Landschaftsgenese Weite, Permafrost-dominierte Küstentiefländer der heutigen Laptevsee in Nordost-Sibirien sind durch die spätpleistozänen Ablagerungen des Eiskomplex aufgebaut. Diese zumeist schluffig bis mittelsandigen Ablagerungen sind durch einen sehr großen Eisgehalt in Form von verteiltem Grundeis und großer syngenetischer Eiskeile, sowie einem relativ hohen Anteil an organischen Resten gekennzeichnet. Mit Beginn der holozänen Klimaerwärmung kam es zur weitläufigen Bildung von Thermokarst.
KW  - Dauerfrostboden
KW  - Periglazial
KW  - Periglazialgeomorphologie
KW  - Sibirien <Nord>
KW  - Fernerkundung
KW  - Optische Fernerkundung
KW  - Geomorphologie
KW  - Permafrost
KW  - Thermokarst
KW  - Sibirien
KW  - Klimawandel
KW  - Siberia
KW  - Global change
KW  - Geomorphology
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5544
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frank-Fahle, Béatrice A.
T1  - Methane-cycling microbial communities in permafrost affected soils on Herschel Island and the Yukon Coast, Western Canadian Arctic
T1  - Mikrobielle Gemeinschaften des Methankreislaufs in Permafrost beeinflussten Böden auf der Insel Herschel und an der Yukon-Küste, westliche kanadische Arktis
N2  - Permafrost-affected ecosystems including peat wetlands are among the most obvious regions in which current microbial controls on organic matter decomposition are likely to change as a result of global warming. Wet tundra ecosystems in particular are ideal sites for increased methane production because of the waterlogged, anoxic conditions that prevail in seasonally increasing thawed layers. The following doctoral research project focused on investigating the abundance and distribution of the methane-cycling microbial communities in four different polygons on Herschel Island and the Yukon Coast. Despite the relevance of the Canadian Western Arctic in the global methane budget, the permafrost microbial communities there have thus far remained insufficiently characterized. Through the study of methanogenic and methanotrophic microbial communities involved in the decomposition of permafrost organic matter and their potential reaction to rising environmental temperatures, the overarching goal of the ensuing thesis is to fill the current gap in understanding the fate of the organic carbon currently stored in Artic environments and its implications regarding the methane cycle in permafrost environments. To attain this goal, a multiproxy approach including community fingerprinting analysis, cloning, quantitative PCR and next generation sequencing was used to describe the bacterial and archaeal community present in the active layer of four polygons and to scrutinize the diversity and distribution of methane-cycling microorganisms at different depths. These methods were combined with soil properties analyses in order to identify the main physico-chemical variables shaping these communities. In addition a climate warming simulation experiment was carried-out on intact active layer cores retrieved from Herschel Island in order to investigate the changes in the methane-cycling communities associated with an increase in soil temperature and to help better predict future methane-fluxes from polygonal wet tundra environments in the context of climate change. Results showed that the microbial community found in the water-saturated and carbon-rich polygons on Herschel Island and the Yukon Coast was diverse and showed a similar distribution with depth in all four polygons sampled. Specifically, the methanogenic community identified resembled the communities found in other similar Arctic study sites and showed comparable potential methane production rates, whereas the methane oxidizing bacterial community differed from what has been found so far, being dominated by type-II rather than type-I methanotrophs. After being subjected to strong increases in soil temperature, the active-layer microbial community demonstrated the ability to quickly adapt and as a result shifts in community composition could be observed. These results contribute to the understanding of carbon dynamics in Arctic permafrost regions and allow an assessment of the potential impact of climate change on methane-cycling microbial communities. This thesis constitutes the first in-depth study of methane-cycling communities in the Canadian Western Arctic, striving to advance our understanding of these communities in degrading permafrost environments by establishing an important new observatory in the Circum-Arctic.
N2  - Permafrost beeinflusste Ökosysteme gehören zu den Regionen, in denen als Folge der globalen Erwärmung eine Veränderung des mikrobiell-kontrollierten Abbaus von organischem Material zu erwarten ist. Besonders in den Ökosystemen der feuchten Tundralandschaften kommt es zu einer verstärkten Methanpoduktion unter wassergesättigten und anoxischen Bedingungen, die durch immer tiefere saisonale Auftauschichten begünstigt werden. Die vorliegende Doktorarbeit kontenzentrierte sich auf die Untersuchung der Abundanz und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften in vier unterschiedlichen Polygonen auf der Insel Herschel und an der Yukon Küste in Kanada. Trotz des relevanten Beitrags der kanadischen West-Arktis am globalen Methanhaushalt, sind die dortigen mikrobiellen Gemeinschaften im Permafrost bisher nur unzureichend untersucht worden. Die zentrale Zielstellung der vorliegenden Arbeit besteht darin, die derzeitige Lücke im Verständnis der Kohlenstoffdynamik in der Arktis im Zuge von Klimaveränderungen und deren Bedeutung für den Methankreislauf in Permafrost-Ökosystemen zu schließen. Dies erfolgt durch Untersuchungen der am Abbau der organischen Substanz im Permafrost beteiligten methonogenen und methanothrophen mikrobiellen Gemeinschaften und ihrer möglichen Reaktionen auf steigende Umgebungstemperaturen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein Multiproxy-Ansatz gewählt, der die Analyse der Gemeinschaften mittels genetischen Fingerprintmethoden, Klonierung, quantitativer PCR und moderner Hochdurchsatzsequenzierung („Next Generation Sequencing“) beinhaltet, um die in der Auftauschicht der vier untersuchten Polygone vorhandenen Bakterien- und Archaeen-Gemeinschaften zu charakterisieren sowie die Diversität und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen in unterschiedlicher Tiefe eingehend zu analysieren. Diese Studien wurden mit physikalisch-chemischen Habitatuntersuchungen kombiniert, da diese die mikrobiellen Lebensgemeinschaften maßgeblich beeinflussen. Zusätzlich wurde ein Laborexperiment zur Simulation der Klimaerwärmung an intakten Bodenmonolithen von der Insel Herschel durchgeführt, um die Veränderungen der am Methankreislauf beteiligten Gemeinschaften aufgrund steigender Bodentemperaturen zu untersuchen, sowie sicherere Voraussagen bezüglich der Methanfreisetzung in polygonalen Permafrostgebieten im Zusammenhang mit dem Klimawandel treffen zu können.
KW  - Permafrost
KW  - Mikrobiologie
KW  - Methan
KW  - Kohlenstoff
KW  - Arktis
KW  - Permafrost
KW  - microbiology
KW  - methane
KW  - carbon
KW  - Arctic
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65345
ER  - 
TY  - THES
A1  - Feige, Katharina
T1  - Molecular ecological analysis of methanogenic communities in terrestrial and submarine permafrost deposits of Siberian Laptev Sea area
T1  - Molekular-ökologische Analyse von methanogenen Gemeinschaften im terrestrischen und submarinen Permafrost im Laptevseegebiet
N2  - Despite general concern that the massive deposits of methane stored under permafrost underground and undersea could be released into the atmosphere due to rising temperatures attributed to global climate change, little is known about the methanogenic microorganisms in permafrost sediments, their role in methane emissions, and their phylogeny. The aim of this thesis was to increase knowledge of uncultivated methanogenic microorganisms in submarine and terrestrial permafrost deposits, their community composition, the role they play with regard to methane emissions, and their phylogeny. It is assumed that methanogenic communities in warmer submarine permafrost may serve as a model to anticipate the response of methanogenic communities in colder terrestrial permafrost to rising temperatures. The compositions of methanogenic communities were examined in terrestrial and submarine permafrost sediment samples. The submarine permafrost studied in this research was 10°C warmer than the terrestrial permafrost. By polymerase chain reaction (PCR), DNA was extracted from each of the samples and analyzed by molecular microbiological methods such as PCR-DGGE, RT-PCR, and cloning. Furthermore, these samples were used for in vitro experiment and FISH. The submarine permafrost analysis of the isotope composition of CH4 suggested a relationship between methane content and in situ active methanogenesis. Furthermore, active methanogenesis was proven using 13C-isotope measurements of methane in submarine permafrost sediment with a high TOC value and a high methane concentration. In the molecular-microbiological studies uncultivated lines of Methanosarcina, Methanomicrobiales, Methanobacteriacea and the Groups 1.3 and Marine Benthic from Crenarchaeota were found in all submarine and terrestrial permafrost samples. Methanosarcina was the dominant group of the Archaea in all submarine and terrestrial permafrost samples. The archaeal community composition, in particular, the methanogenic community composition showed diversity with changes in temperatures. Furthermore, cell count of methanogens in submarine permafrost was 10 times higher than in terrestrial permafrost. In vitro experiments showed that methanogens adapt quickly and well to higher temperatures. If temperatures rise due to climate change, an increase in methanogenic activity can be expected as long as organic material is sufficiently available and qualitatively adequate.
N2  - Trotz allgemeiner Bedenken, dass auf Grund des Temperaturanstieges im Zusammenhang mit der globalen Klimaerwärmung große Mengen des in terrestrischen und submarinen Permafrostsedimenten gespeicherten Methans freigesetzt werden könnte, ist bisher wenig über die in diesen Böden lebenden methanogenen Mikroorganismen, ihre Phylogenese und sowie ihre Bedeutung hinsichtlich der Methanemissionen bekannt. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Erweiterung der bisherigen Kenntnisse über unkultivierte methanogene Mikroorganismen in submarinen und terrestrischen Sedimentablagerungen, die Zusammensetzung ihrer Lebensgemeinschaft, ihrer Phylogenese und ihrer Bedeutung bei der Emission von Methan. Es wird vermutet, dass methanogene Gemeinschaften submarines Permafrostes zur Erstellung von Modellen genutzt werden können, um Aussagen bezüglich potenzieller Reaktionen methanogener Gemeinschaften des kälteren terrestrischen Permafrostes auf steigende Temperaturen, zu ermöglichen. Die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft wurde in terrestrischen und submarinen Permafrostproben untersucht. Der im Rahmen dieser Forschungsarbeit untersuchte submarine Permafrost wies eine im Vergleich zum terrestrischen Permafrost um circa 10°C höhere Temperatur auf. Mittels Polymerasenkettenreaktion (PCR) wurde von jeder der Proben DNA extrahiert und mittels weiterer molekular-mikrobiologischen Methoden wie DGGE, RT-PCR und Klonierung analysiert. Des Weiteren wurden die Proben für in vitro Experimente und Zellzählungen (DAPI und FISH) verwendet. Die Analyse der Isotopenzusammensetzung von CH4 in submarinen Permafrostsedimenten ließ einen Zusammenhang zwischen Methangehalt und aktiver in situ Methanogenese vermuten. Überdies konnte aktive Methanogenese, mittels 13C-Isotopenmessungen von Methan in submarinem Permafrostsediment mit hohem TOC-Wert und hoher Methankonzentration, bewiesen werden. Im Rahmen der molekular-mikrobiologischen Untersuchungen wurden in allen submarinen und terrestrischen Permafrostproben unkultivierte Linien von Methanosarcina, Methanomicrobiales, Methanobacteriacea und den Gruppen 1.3 und Marine Benthic von Crenarchaeota gefunden. Methanosarcina war in allen submarinen und terrestrischen Permafrostproben die dominierende Gruppe der Archaeen. Die Zusammensetzung der archaealen Gemeinschaft, insbesondere die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft, variierte zwischen den submarinen und terrestrischen Proben. Des Weiteren fand sich bei der Zellzählung der Methanogenen im submarinen Permafrost eine 10-fach höhere Zellzahl als im terrestrischen Permafrost. Die in vitro Experimente zeigten, dass Methanogene sich schnell und gut an höhere Temperaturen anpassen können. Im Falle weiter steigender Temperaturen auf Grund der Klimaveränderungen, kann – bei ausreichender Verfügbarkeit und Qualität organischen Materials – mit einer Zunahme der methanogenen Aktivität gerechnet werden.
KW  - methanogene Archaea
KW  - Permafrost
KW  - submarin
KW  - terrestrisch
KW  - methanogenic archaea
KW  - permafrost
KW  - submarine
KW  - terrestrial
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-37998
ER  -