Methane distribution and oxidation across aquatic interfaces

Verteilung und Oxidation von Methan in aquatischen Ökosystemen

  • The increase in atmospheric methane concentration, which is determined by an imbalance between its sources and sinks, has led to investigations of the methane cycle in various environments. Aquatic environments are of an exceptional interest due to their active involvement in methane cycling worldwide and in particular in areas sensitive to climate change. Furthermore, being connected with each other aquatic environments form networks that can be spread on vast areas involving marine, freshwater and terrestrial ecosystems. Thus, aquatic systems have a high potential to translate local or regional environmental and subsequently ecosystem changes to a bigger scale. Many studies neglect this connectivity and focus on individual aquatic or terrestrial ecosystems. The current study focuses on environmental controls of the distribution and aerobic oxidation of methane at the example of two aquatic ecosystems. These ecosystems are Arctic fresh water bodies and the Elbe estuary which represent interfaces between freshwater-terrestrial andThe increase in atmospheric methane concentration, which is determined by an imbalance between its sources and sinks, has led to investigations of the methane cycle in various environments. Aquatic environments are of an exceptional interest due to their active involvement in methane cycling worldwide and in particular in areas sensitive to climate change. Furthermore, being connected with each other aquatic environments form networks that can be spread on vast areas involving marine, freshwater and terrestrial ecosystems. Thus, aquatic systems have a high potential to translate local or regional environmental and subsequently ecosystem changes to a bigger scale. Many studies neglect this connectivity and focus on individual aquatic or terrestrial ecosystems. The current study focuses on environmental controls of the distribution and aerobic oxidation of methane at the example of two aquatic ecosystems. These ecosystems are Arctic fresh water bodies and the Elbe estuary which represent interfaces between freshwater-terrestrial and freshwater-marine environments, respectively. Arctic water bodies are significant atmospheric sources of methane. At the same time the methane cycle in Arctic water bodies is strongly affected by the surrounding permafrost environment, which is characterized by high amounts of organic carbon. The results of this thesis indicate that the methane concentrations in Arctic lakes and streams substantially vary between each other being regulated by local landscape features (e.g. floodplain area) and the morphology of the water bodies (lakes, streams and river). The highest methane concentrations were detected in the lake outlets and in a floodplain lake complex. In contrast, the methane concentrations measured at different sites of the Lena River did not vary substantially. The lake complexes in comparison to the Lena River, thus, appear as more individual and heterogeneous systems with a pronounced imprint of the surrounding soil environment. Furthermore, connected with each other Arctic aquatic environments have a large potential to transport methane from methane-rich water bodies such as streams and floodplain lakes to aquatic environments relatively poor in methane such as the Lena River. Estuaries represent hot spots of oceanic methane emissions. Also, estuaries are intermediate zones between methane-rich river water and methane depleted marine water. Substantiated through this thesis at the example of the Elbe estuary, the methane distribution in estuaries, however, cannot entirely be described by the conservative mixing model i.e. gradual decrease from the freshwater end-member to the marine water end-member. In addition to the methane-rich water from the Elbe River mouth substantial methane input occurs from tidal flats, areas of significant interaction between aquatic and terrestrial environments. Thus, this study demonstrates the complex interactions and their consequences for the methane distribution within estuaries. Also it reveals how important it is to investigate estuaries at larger spatial scales. Methane oxidation (MOX) rates are commonly correlated with methane concentrations. This was shown in previous research studies and was substantiated by the present thesis. In detail, the highest MOX rates in the Arctic water bodies were detected in methane-rich streams and in the floodplain area while in the Elbe estuary the highest MOX rates were observed at the coastal stations. However, in these bordering environments, MOX rates are affected not only via the regulation through methane concentrations. The MOX rates in the Arctic lakes were shown to be also dependent on the abundance and community composition of methane-oxidising bacteria (MOB), that in turn are controlled by local landscape features (regardless of the methane concentrations) and by the transport of MOB between neighbouring environments. In the Elbe estuary, the MOX rates in addition to the methane concentrations are largely affected by the salinity, which is in turn regulated by the mixing of fresh- and marine waters. The magnitude of the salinity impact on MOX rates thereby depends on the MOB community composition and on the rate of the salinity change. This study extends our knowledge of environmental controls of methane distribution and aerobic methane oxidation in aquatic environments. It also illustrates how important it is to investigate complex ecosystems rather than individual ecosystems to better understand the functioning of whole biomes.show moreshow less
  • Aufgrund des Anstiegs der Methankonzentration in der Atmosphäre, der durch ein Ungleichgewicht zwischen Quellen und Senken hervorgerufen wird, steht der Methankreislauf im Fokus der Forschung. Aquatische Ökosysteme, und im Speziellen solche, die vom Klimawechsel besonders betroffen sind, spielen eine wichtige Rolle im globalen Methankreislauf. Darüber hinaus können sie über große Areale miteinander verknüpft sein und terrestrische mit marinen Ökosystemen verbinden. In aquatischen Systemen können sich daher lokale und regionale Umweltänderungen auf sehr große räumliche Skalen auswirken. Viele Untersuchungen berücksichtigen diesen Zusammenhang nicht und betrachten aquatische unabhängig von den sich angrenzenden Ökosystemen. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Methankonzentration und die mikrobielle aerobe Methanoxidation. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zwei aquatischen Ökosystemen, arktische Süßwassertransekte und Ästuare, und auf deren mikrobieller Ökologie. Diese beiden Ökosysteme beschreibenAufgrund des Anstiegs der Methankonzentration in der Atmosphäre, der durch ein Ungleichgewicht zwischen Quellen und Senken hervorgerufen wird, steht der Methankreislauf im Fokus der Forschung. Aquatische Ökosysteme, und im Speziellen solche, die vom Klimawechsel besonders betroffen sind, spielen eine wichtige Rolle im globalen Methankreislauf. Darüber hinaus können sie über große Areale miteinander verknüpft sein und terrestrische mit marinen Ökosystemen verbinden. In aquatischen Systemen können sich daher lokale und regionale Umweltänderungen auf sehr große räumliche Skalen auswirken. Viele Untersuchungen berücksichtigen diesen Zusammenhang nicht und betrachten aquatische unabhängig von den sich angrenzenden Ökosystemen. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Methankonzentration und die mikrobielle aerobe Methanoxidation. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zwei aquatischen Ökosystemen, arktische Süßwassertransekte und Ästuare, und auf deren mikrobieller Ökologie. Diese beiden Ökosysteme beschreiben typische terrestrisch-limnische und limnisch-marine Übergangsbereiche. Arktische Gewässer stellen eine wichtige Quelle für atmosphärisches Methan dar. Sie werden außerdem stark durch den umgebenden Permafrost, der reich an organischer Substanz ist, beeinflusst. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen am Beispiel des Lena-Deltas, dass sich die Methankonzentrationen in arktischen Seen und Fließgewässern wesentlich voneinander unterscheiden. Besonderen Einfluss üben hierbei das örtliche Landschaftsbild (z.B. Überflutungsbereiche) und die Charakteristika der Wasserkörper (Seen, Wasserläufe und Flüsse) aus. Die höchsten Methankonzentrationen wurden in Seeabläufen und in Seen einer Überflutungsebene (Seekomplex) gemessen. Im Gegensatz dazu unterschieden sich die Methankonzentrationen an verschiedenen Messpunkten der Lena nur unwesentlich. Der Seekomplex erscheint daher im Vergleich zur Lena heterogener und stark vom umgebenden Bodenökosystem beeinflusst. Die miteinander vernetzten arktischen aquatischen Ökosysteme haben darüber hinaus ein hohes Potential, Methan von methan-reichen Gewässern, wie Wasserläufen und Überflutungsgebieten, zu relativ methan-armen Gewässern wie der Lena zur transportieren. Ästuare sind „hot spots“ der Methanemission von marin beeinflussten Systemen. Sie stellen Übergangszonen zwischen methan-reichem Flusswasser und methan-armem Meerwasser dar. Wie die Untersuchungen am Elbe Ästuar zeigen, kann die Methanverteilung jedoch nicht immer hinreichend durch das konservative Durchmischungs-Model (graduelle Abnahme vom Süß- zum Meerwasser hin) beschrieben werden. Zusätzlich zum methan-reichen Wasser der Elbemündung konnte der Eintrag von Methan in Wattbereichen, Gegenden starker aquatischer und terrestrischer Interaktion, gezeigt werden. Diese Studie verdeutlicht demnach die Komplexität von Ästuarsystemen hinsichtlich der Methanverteilung und die Notwendigkeit, diese in größeren Maßstäben zu untersuchen. Methanoxidationsraten (MOX-Raten) korrelieren gewöhnlich mit den Methankonzentrationen. Dies zeigen die hier vorliegenden Daten aber auch vorherige Studien. Die höchsten MOX-Raten der arktischen Gewässer wurden im Rahmen dieser Arbeit in methan-reichen Fließgewässern sowie einer Überflutungsebene gemessen. Im Elbeästuar wurden die höchsten Werte an den Küstenstationen aufgezeichnet. In den jeweils untersuchten Übergangszonen werden die MOX-Raten jedoch nicht nur durch die Methankonzentrationen gekennzeichnet. In den arktischen Seen werden sie zusätzlich durch die Zellzahl und Populationsstruktur von Methan oxidierenden Bakterien (MOB) bestimmt, welche wiederum durch lokale Umweltfaktoren (unabhängig von der Methankonzentration) und den Transport von MOB zwischen benachbarten Ökosystemen beeinflusst werden. Im Elbeästuar hingegen werden die MOX-Raten neben den Methankonzentrationen größtenteils von der Salinität, die durch die Vermischung von Süß- und Salzwasser reguliert wird, bedingt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auch, dass im Elbeästuar die Salinität, die durch die Vermischung von Süß- und Salzwasser reguliert wird, einen großen Einfluss auf die MOX-Raten hat. Das Ausmaß dieses Einflusses hängt dabei von der Populationsstruktur der MOB und der Geschwindigkeit des Salinitätswechsels ab. Zusammenfassend trägt die vorliegende Arbeit dazu bei, Zusammenhänge zwischen Methankonzentration, dem Prozess und Mikrobiom der aeroben Methanoxidation und bestimmten Umweltfaktoren wie beispielsweise der Salinität in aquatischen Systemen besser zu verstehen. Sie verdeutlicht außerdem, wie bedeutsam es ist, aquatische Ökosysteme in ihrer räumlichen Komplexität und nicht entkoppelt zu betrachten.show moreshow less

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Metadaten
Author:Roman Osudar
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96799
Subtitle (English):case studies from Arctic water bodies and the Elbe estuary
Subtitle (German):Fallstudien aus arktischen Wasserkörpern und dem Elbe Ästuar
Advisor:Dirk Wagner, Ingeborg Bussmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/09/13
Release Date:2016/10/21
Tag:Elbe Ästuar; aquatischen Ökosystemen; arktische Gewässer; mikrobielle aerobe Methanoxidation
Elbe estuary; Lena Delta; aquatic ecosystems; arctic water bodies; microbial methane oxidation
Pagenumber:vii, 170
RVK - Regensburg Classification:AR 22200, WF 2300
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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