Import and decomposition of dissolved organic carbon in pre-dams of drinking water reservoirs

Eintrag und Abbau von gelösten Kohlenstoffen in Vorsperren von Trinkwassertalsperren

  • Dissolved organic carbon (DOC) depicts a key component in the aquatic carbon cycle as well as for drinking water production from surface waters. DOC concentrations increased in water bodies of the northern hemisphere in the last decades, posing ecological consequences and water quality problems. Within the pelagic zone of lakes and reservoirs, the DOC pool is greatly affected by biological activity as DOC is simultaneously produced and decomposed. This thesis aimed for a conceptual understanding of organic carbon cycling and DOC quality changes under differing hydrological and trophic conditions. Further, the occurrence of aquatic priming was investigated, which has been proposed as a potential process facilitating the microbial decomposition of stable allochthonous DOC within the pelagic zone. To study organic carbon cycling under different hydrological conditions, quantitative and qualitative investigations were carried out in three pre-dams of drinking water reservoirs exhibiting a gradient in DOC concentrations and trophicDissolved organic carbon (DOC) depicts a key component in the aquatic carbon cycle as well as for drinking water production from surface waters. DOC concentrations increased in water bodies of the northern hemisphere in the last decades, posing ecological consequences and water quality problems. Within the pelagic zone of lakes and reservoirs, the DOC pool is greatly affected by biological activity as DOC is simultaneously produced and decomposed. This thesis aimed for a conceptual understanding of organic carbon cycling and DOC quality changes under differing hydrological and trophic conditions. Further, the occurrence of aquatic priming was investigated, which has been proposed as a potential process facilitating the microbial decomposition of stable allochthonous DOC within the pelagic zone. To study organic carbon cycling under different hydrological conditions, quantitative and qualitative investigations were carried out in three pre-dams of drinking water reservoirs exhibiting a gradient in DOC concentrations and trophic states. All pre-dams were mainly autotrophic in their epilimnia. Discharge and temperature were identified as the key factors regulating net production and respiration in the upper water layers of the pre-dams. Considerable high autochthonous production was observed during the summer season under higher trophic status and base flow conditions. Up to 30% of the total gained organic carbon was produced within the epilimnia. Consequently, this affected the DOC quality within the pre-dams over the year and enhanced characteristics of algae-derived DOC were observed during base flow in summer. Allochthonous derived DOC dominated at high discharges and oligotrophic conditions when production and respiration were low. These results underline that also small impoundments with typically low water residence times are hotspots of carbon cycling, significantly altering water quality in dependence of discharge conditions, temperature and trophic status. Further, it highlights that these factors need to be considered in future water management as increasing temperatures and altered precipitation patterns are predicted in the context of climate change. Under base flow conditions, heterotrophic bacteria preferentially utilized older DOC components with a conventional radiocarbon age of 195-395 years before present (i.e. before 1950). In contrast, younger carbon components (modern, i.e. produced after 1950) were mineralized following a storm flow event. This highlights that age and recalcitrance of DOC are independent from each other. To assess the ages of the microbially consumed DOC, a simplified method was developed to recover the respired CO2 from heterotrophic bacterioplankton for carbon isotope analyses (13C, 14C). The advantages of the method comprise the operation of replicate incubations at in-situ temperatures using standard laboratory equipment and thus enabling an application in a broad range of conditions. Aquatic priming was investigated in laboratory experiments during the microbial decomposition of two terrestrial DOC substrates (peat water and soil leachate). Thereby, natural phytoplankton served as a source of labile organic matter and the total DOC pool increased throughout the experiments due to exudation and cell lysis of the growing phytoplankton. A priming effect for both terrestrial DOC substrates was revealed via carbon isotope analysis and mixing models. Thereby, priming was more pronounced for the peat water than for the soil leachate. This indicates that the DOC source and the amount of the added labile organic matter might influence the magnitude of a priming effect. Additional analysis via high-resolution mass spectrometry revealed that oxidized, unsaturated compounds were more strongly decomposed under priming (i.e. in phytoplankton presence). Given the observed increase in DOC concentrations during the experiments, it can be concluded that aquatic priming is not easily detectable via net concentration changes alone and could be considered as a qualitative effect. The knowledge gained from this thesis contributes to the understanding of aquatic carbon cycling and demonstrated how DOC dynamics in freshwaters vary with hydrological, seasonal and trophic conditions. It further demonstrated that aquatic priming contributes to the microbial transformation of organic carbon and the observed decay of allochthonous DOC during transport in inland waters.show moreshow less
  • Gelöster organischer Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC) bildet nicht nur eine zentrale Komponente des aquatischen Kohlenstoffkreislaufs, sondern auch für die Gewinnung von Trinkwasser aus Oberflächengewässern. In den letzten Jahrzehnten stiegen die DOC-Konzentrationen in Gewässern der nördlichen Hemisphäre an und führen sowohl zu ökologischen Konsequenzen als auch zu Wasserqualitätsproblemen. Die Zusammensetzung des DOC im Pelagial von Seen und Talsperren wird erheblich durch biologische Aktivität beeinflusst, da DOC-Verbindungen gleichzeitig produziert und abgebaut werden. Im Fokus meiner Dissertation standen ein konzeptionelles Verständnis des organischen Kohlenstoffkreislaufs und die damit verbundenen Änderungen in der DOC-Qualität unter verschiedenen hydrologischen und trophischen Bedingungen. Weiterhin wurde das Auftreten eines aquatischen Priming-Effektes untersucht, welcher den mikrobiellen Abbau von stabilem allochthonem DOC im Pelagial fördern könnte. Quantitative und qualitative Untersuchungen wurden unterGelöster organischer Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC) bildet nicht nur eine zentrale Komponente des aquatischen Kohlenstoffkreislaufs, sondern auch für die Gewinnung von Trinkwasser aus Oberflächengewässern. In den letzten Jahrzehnten stiegen die DOC-Konzentrationen in Gewässern der nördlichen Hemisphäre an und führen sowohl zu ökologischen Konsequenzen als auch zu Wasserqualitätsproblemen. Die Zusammensetzung des DOC im Pelagial von Seen und Talsperren wird erheblich durch biologische Aktivität beeinflusst, da DOC-Verbindungen gleichzeitig produziert und abgebaut werden. Im Fokus meiner Dissertation standen ein konzeptionelles Verständnis des organischen Kohlenstoffkreislaufs und die damit verbundenen Änderungen in der DOC-Qualität unter verschiedenen hydrologischen und trophischen Bedingungen. Weiterhin wurde das Auftreten eines aquatischen Priming-Effektes untersucht, welcher den mikrobiellen Abbau von stabilem allochthonem DOC im Pelagial fördern könnte. Quantitative und qualitative Untersuchungen wurden unter verschiedenen hydrologischen Bedingungen in drei Vorsperren von Trinkwassertalsperren durchgeführt, die einen Gradienten an DOC-Konzentrationen und Trophie aufwiesen. Alle Vorsperren waren im Epilimnion überwiegend autotroph. Abfluss und Temperatur wurden als Schlüsselfaktoren identifiziert, die Produktion und Respiration in den oberen Wasserschichten der Vorsperren regulieren. Eine vergleichsweise hohe autotrophe Produktion wurde während der Sommer-monate bei hoher Trophie und Basisabfluss beobachtet. Bis zu 30% des gesamten eingetragenen organischen Kohlenstoffes wurde im Epilimnion produziert. Dies beeinflusste die DOC-Qualität in den Vorsperren erheblich und es traten vermehrt Charakteristiken von algenbürtigem DOC unter Basisabfluss in den Sommermonaten auf. Allochthoner DOC dominierte bei hohen Abflüssen und unter oligotrophen Bedingungen, wenn Produktion und Respiration gering waren. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass auch kleine Speicherbecken mit typischerweise kurzen Wasser-aufenthaltszeiten „Hotspots“ für Kohlenstoffumsetzung sind und die Wasserqualität signifikant in Abhängigkeit von Abflussbedingungen, Temperatur und Trophie verändern. Diese Faktoren sind auch für zukünftiges Wassermanagement bedeutsam, da steigende Temperaturen und veränderte Niederschläge im Zuge des Klimawandels prognostiziert werden. Unter Basisabfluss verwerteten heterotrophe Bakterien vorrangig ältere DOC-Komponenten mit einem konventionellen Radiokarbonalter von 195-395 Jahren B.P. („before present“, d. h. vor 1950). Im Gegensatz dazu wurden jüngere DOC-Komponenten (modern, d. h. nach 1950 produziert) nach einem Regenwetterzufluss abgebaut. Daraus lässt sich schließen, dass Alter und mikrobielle Verwertbarkeit des DOC voneinander unabhängig sind. Um das Alter des genutzten DOC zu bestimmen, wurde eine vereinfachte Methode entwickelt, die das Auffangen des bakteriell respirierten CO2 und eine anschließende Analyse der Kohlenstoffisotope (13C, 14C) ermöglicht. Die Vorteile der Methode liegen vor allem in der Verwendung von Replikaten, die bei in-situ Temperaturen inkubiert werden können und in der Nutzung von gängiger Laborausstattung. Dies ermöglicht eine Anwendung der Methode unter einer weiten Bandbreite von Bedingungen. Der aquatische Priming-Effekt wurde in Laborexperimenten während des mikrobiellen Abbaus von zwei terrestrischen DOC-Substraten (Moorwasser und Bodeneluat) untersucht. Phytoplankton diente als Quelle für labile organische Substanz und die DOC-Konzentrationen nahmen durch Exudation und Zelllysis des wachsenden Phytoplanktons während des Experimentes zu. Ein Priming-Effekt wurde für beide terrestrischen DOC-Substrate mittels Analyse von Kohlenstoffisotopen und Mischungsmodellen nachgewiesen, wobei der Priming-Effekt für das Moorwasser stärker ausgeprägt war als für das Bodeneluat. Analysen mittels hochauflösender Massenspektrometrie zeigten, dass verstärkt oxidierte und ungesättigte Verbindungen während des Primings (d. h. in Anwesenheit von Phytoplankton) abgebaut wurden. Aus den angestiegenen DOC-Konzentrationen während des Experimentes kann geschlussfolgert werden, dass ein aquatischer Priming-Effekt nicht allein über Konzentrationsänderungen nachweisbar ist und vielmehr als ein qualitativer Effekt betrachtet werden kann. Diese Arbeit trägt zum Verständnis des aquatischen Kohlenstoffkreislaufs bei und zeigt wie DOC-Dynamiken in Süßgewässern mit hydrologischen, saisonalen und trophischen Bedingungen variieren. Weiterhin wurde gezeigt, dass der aquatische Priming-Effekt zu dem mikrobiellen Umsatz von organischem Kohlenstoff und dem beobachteten Abbau von terrestrischen DOC während des Transportes in Binnengewässern beiträgt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Karoline MorlingORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-399110
Advisor:Norbert Kamjunke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2017/07/05
Release Date:2017/08/23
Tag:Autotrophie; Kohlenstoffisotope; Nettoproduktion; Radiokarbon; Talsperre; gelöster organischer Kohlenstoff; hochauflösende Massenspektrometrie; mikrobieller Abbau; organischer Kohlenstoff; organisches Material
autotrophy; carbon isotopes; degradation; freshwater ecosystems; high resolution mass spectrometry; microbial decomposition; net production; organic carbon; organic matter quality; radiocarbon; water reservoir
Pagenumber:xii, 151
RVK - Regensburg Classification:AR 22220, WI 4720
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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