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Assessing dissolved organic carbon properties and dynamics in a microcosm experiment simulating the hyporheic zone

Judith Andrea Rosentreter

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Tom Battin

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DOI

10.25365/thesis.27439

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29715.88296.754969-8

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In den letzten Jahren Wissenschaftsforschung ist zunehmend deutlicher geworden, dass Fließgewässer Ökosysteme nicht nur Transport-Funktionen haben, sondern den Kohlenstoff-Eintrag aus angrenzenden Gebieten in großen Mengen speichern und in Form von CO2 in die Atmosphäre ausgasen können. Trotz ihrer relative geringen Oberfäche tragen Fließgewässer damit erheblich zu dem globalen Kohlenstoff-Budget bei und in Zeiten von Klimaveränderung und Treibhausgaseffekten ist es von besonderer Bedeutung, die ökologischen Funktion der Oberflächengewässer zu verstehen und ihre globalen Beiträge hervorzusehen. Je nach Struktur der Gewässersohle kann der Kies- und Sandlückenbereich (Hyporheisches Interstitial) unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Das so genannte Hyporheal, in dem sich Grundwasser mit Oberflächenwasser mischt, ist ein Lebensraum für viele Mikroorganismen und oft auch für Larvenstadien größerer Organismen. Im hyporheischen Interstitial sind vor allem heterotrophe Biofilme verantwortlich für die metabolischen Prozesse und gekoppelt an hohe Abundanzen von Mikroorganismen können sie Kohlenstoffflüsse nachhaltig beeinflussen. In diesem Mikrokosmos-Experiment sind Bioreaktoren mit heterotrophen Biofilmen besiedelt und mit gefilterten Wasser plus verschieden labilen gelösten organischen Kohlenstoff- Zusätzen (DOC) gespeist worden. Optisch spekroskopische Messungen wurden verwendet um den DOC-Pool genauer zu charakterisieren und zeitliche Dynamiken wurden statistisch mit der Verfügbarkeit von DOC und der Sauerstoff-Konsumation kombiniert. Sechs verschiedene Fluoreszenz-Komponenten konnten identifiziert werden. Der gesamte DOC-Pool war dominiert von humin-ähnlichen Stoffen (~80%), einen kleinerer Teil machten die protein-ähnlichen Stoffe aus (~20%). Während die protein-ähnlichen Stoffe abgebaut wurde, unterlagen die meisten der humin-ähnlichen Stoffe nur sehr geringere Dynamiken und veränderten sich, abgesehen von einer Komponente, kaum während des Experimentes. Auffällig war, dass die Bioverfügbarkeit des DOC mit keinem Parameter korrelierte, ausser einer inversen Korrelation mit der Aromatizität. Es wird vorgeschlagen, dass vor allem proteinogenes DOC in Biomasse eingebaut wurde und die Aromatizität gestiegen ist durch, zum Beispiel, erhöhten Aufbau der Biofilm- Matrix oder enzymatischer Aktivität der Mikroorganismen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die verschiedenen DOC-Fraktionen im Hyporheal wahrscheinlich sehr unterschiedlich Dynamiken unterliegen können und, wenn gleich auch mehr Untersuchungen notwendig sind, konnte durch dieses Mikrokosmos-Experiment gezeigt werden, dass die metabolische Aktivität hyporheischer Biofilme einen gewissen Einfluss auf den Stoffluss auch auf angrenzende Ökosysteme haben kann und hinsichtlich des globalen Kohlenstoffhaushaltes in Zukunft stärker berücksichtigt werden sollten.

Abstract

(Englisch)

Terrestrially derived organic carbon entering fluvial networks is stored, transformed and respired to carbon dioxide by microbial metabolism, occurring in particular in benthic and hyporheic sediments. In the hyporheic zone, where ground water mixes with surface water, high microbial abundance and metabolism of biofilm communities may influence carbon fluxes to higher trophic levels. In this microcosm experiment, bioreactors with established heterotrophic biofilms simulated microbial activity of the hyporheic zone and additions of bioavailable dissolved organic carbon (recalcitrant and/or labile DOC) were used to assess DOC properties and dynamics linked to biofilm metabolism. Absorption and fluorescence spectroscopy provided insights into chemical composition of the carbon pool. The bulk DOC was dominated by ~80 % humic-like components and ~20 % protein-like components and six different fluorescence components were identified by parallel factor analysis (PARAFAC) modelling. BDOC was not related to the abundance of any of the fluorescence components, inversely related to the aromaticity (SUVA254) and further not related to oxygen consumption. I infer that bioavailable carbon was incorporated into microbial biomass and extracellular polymeric substances (EPS) of the biofilm matrix. The main finding of the thesis highlight the different dynamics of protein- and humic-like DOC utilization and production in the biofilms. The functional complexity of hyporheic sediments due to biofilm processes emphasizes the ecological relevance of this transitional zone and their potential impact on the global carbon balance.

Autor*innen

Judith Andrea Rosentreter

Haupttitel (Englisch)

Assessing dissolved organic carbon properties and dynamics in a microcosm experiment simulating the hyporheic zone

Paralleltitel (Deutsch)

Eine Beurteilung der Eigenschaften und Dynamiken von gelöstem organischen Kohlenstoff in einem Mikrokosmos-Experiment, welches das Hyporheisches Interstitial simuliert

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

51 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Tom Battin

Klassifikation

42 Biologie > 42.93 Limnologie

AC Nummer

AC10811625

Utheses ID

24532

Studienkennzahl

UA | 444 | | |

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