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Dissolved organic matter (DOM) biogeochemistry in streams
Christina Fasching
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
PhD-Studium (Doctor of Philosophy) (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*in
Tom Battin
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30117.22880.164061-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Flüsse und Bäche tragen substantiell zum Kohlenstoffzyklus bei und sind verantwortlich für große Exportflüsse von der terrestrischen Umwelt in abwärts gelegene Ökosysteme. Klimatische und anthropogen hervorgerufene Veränderungen der Umwelt könnten die Menge, Zusammensetzung und Flüsse von gelösten organischen Kohlenstoff beeinflussen, mit möglichen Konsequenzen für den Eintrag und den Umsatz von gelösten organischen Kohlenstoff in Bächen. Diese Dissertation befasst sich mit der Rolle von Bächen für den zum Kohlenstoff Zyklus in Alpinen Gletschern und Bächen, welche besonders sensitiv gegen über klimatischen Veränderungen reagieren. Diese Arbeit informiert über die Menge und Zusammensetzung von Kohenstoffflüssen von diesen Ökosystemen und identifiziert die treibenden Mechanismen. Desweitern unterstreicht sie die Relevanz der Kohlenstoff-Zusammensetzung und Dynamik für den mikrobiellen Metabolismus.
In vielen alpinen Regionen speisen Gletscher Bäche - die kleinsten, aber zahlreichsten Elemente fluvialer Netzwerke, und beeinflussen so deren Ökohydrologie und Biogeochemie. Zusätzlich zu ihrer prominenten Rolle im Wasserkreislauf, werden Gletscher immer mehr als Ökosysteme angesehen wo Kohlenstoffspeicherung und Transformationsprozesse stattfinden. Das rapide Abschmelzen der Gletscher könnte daher unmittelbare Konsequenzen für die Quantität und Zusammensetzung von Kohlenstoff in Gletschergespeisten Bächen und den Kohenstoffzyklus haben. Um die Rolle von Gletschern für den Kohlenstoffzyklus zu evaluieren, sowie dessen Quelle und Zusammensetzung zu erforschen untersuchten wir die die molekulare Zusammensetzung, das Alter und die Bioverfügbarkeit des Kohlenstoffs von 26 Alpinen Gletschern. Dazu setzten wir hochauflösende Massenspektrometrie, Fluoreszenz-Spektrometrie und Inkubationsexperimente ein. Kohlenstoff glazialen Ursprungs wurde neben einer großen Gruppe von Peptid-ähnlichen Substanzen – möglicherweise mikrobiellen Ursprungs und in-situ produziert, von polyphenolischen Substanzen - typische für Gefäßpflanzen und Böden- dominiert. Diese Molekülgruppen waren stark mit Fluoreszenz Signalen, stammend von der Exzitation-Emission Spektroskopie und anschließender Parallelen Faktoren Analyse (PARAFAC), assoziiert. Mit Hilfe von Inkubationsexperimenten konnten wir mikrobielle Abbauprozesse von organischem Kohlenstoff glazialen Ursprungs untersuchen und Export Flüsse von labilen und rekalzitranten Kohlenstoff berechnen. Resultate zeigten, dass Europäische Alpen 340 Tonnen Kohlenstoff pro Jahr exportieren, wovon 162 Tonnen potenziell als respiriert werden und als CO2 in die Atmosphäre verloren gehen. Diese Ergebnisse unterstreichen die Relevanz von Gletschern für den Kohlenstoffzyklus.
Um das Zusammenwirken der Zusammensetzung von Kohlenstoff und des mikrobiellen Metabolismus sowie dessen Rolle für den Kohlenstoffzyklus weiter zu erforschen wurde die Kohlenstoff-Zusammensetzung und Dynamik in Braunwasserbächen über einen Gradienten von variierenden terrestrischen Inputs untersucht. In Nord Amerika und Nord und Zentral Europa stiegen die Kohlenstoff Exporte von terrestrischen zu aquatischen Ökosystemen über die letzten Jahre an. Dieses Phänomen wird als “browning” bezeichnet und resultiert aus der Präsenz terrestrischen Kohlenstoffs. Dieser enthält große Mengen und chromophoren Kohlenstoff und ist daher verantwortlich für die braune Färbung des Gewässers. Um den Effekt von “browning” auf den Kohlenstoffzyklus zu evaluieren, erfolgte die Messung der CO2 Konzentration im Gewässer und Inkubationsexperimente wurden eingesetzt um den mikrobiellen Metabolismus und Abbau von terrestrischen organischen Kohlenstoff zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die mikrobielle Effizienz Kohlenstoff in Biomasse umzuwandeln (carbon use efficiency; CUE) unmittelbar mit der Kohlenstoffzusammensetzung zusammenhängt. Somit stellt die Kohlenstoffmenge, sowie die Koppelung zwischen der CUE und der Zusammensetzung des Kohlenstoffs eine wichtige Kontrolle für die CO2 Konzentration im Bach dar. Änderungen in der Zusammensetzung des Kohlenstoffs, welche mit “browning” assoziiert werden können, führten zu einer Herabsetzung der CUE und unterstrichen somit den Einfluss von “browning” auf den Kohlenstoffzyklus in Bächen.
Um jene Mechanismen zu erforschen welche die Zusammensetzung, Dynamik und Exportflüsse von Kohlenstoff kontrollieren erfolgte ein 3-Jahres Monitoring der Kohlenstoffkonzentration und Zusammensetzung im Bachwasser und der hyporheischen Zone eines alpinen Baches. Die Ergebnisse zeigten, dass die charakteristisch saisonalen Parameter, wie Abflussregime und Temperatur, die Menge und Zusammensetzung des Kohlenstoffs im Bachwasser und der hyporheischen Zone kontrollierten. Des Weiteren wurden diurnale, saisonale und Ereignis- getriebene Muster der Menge und Zusammensetzung des Kohlenstoffs identifiziert. Während Perioden geringen Abflusses könnten klare diurnale Fluktuationen in der Kohlenstoffkonzentration identifiziert werden. Dabei war der Kohlenstoff hauptsächlich autochthonen Ursprungs, möglicherweise von benthischen Algen. Diurnale Muster wurden regelmäßig von höheren Abflüssen unterbrochen, welche zu einem relativ stärkeren autochthonen Signal führten, welches von der Auswaschung von angrenzenden Böden herrühren könnte. Entsprechend waren Kohlenstoff Exporte hauptsächlich terrestrischen Ursprungs wie durch die Aromatizität (a254: 24.71 ± 0.14 yr-1) und die fluoreszenten Komponenten, welche mit der PARAFAC modelliert wurden, bestätigt. Es ergab sich ein Kohlenstoffexport von 4.03 ± 0.02 g m-2 yr-1 und ein chromophorer Kohlenstoffexport (a254) von 24.71 ± 0.14 yr-1 von dem Bach. Die Erkenntnis, dass Exportflüsse von Humin- und Fulvosäuren- ähnlicher Fluoreszenz höher als jener Protein-ähnlicher Fluoreszenz sind, unterstreicht die Relevanz von terrestrischem Kohlenstoff in fluvialen Ökosystemen. Die Resultate betonen die Relevanz des Abflussregimes und von saisonalen Prozessen für die Dynamik, Zusammensetzung und Exportflüsse von Kohlenstoff und die Wichtigkeit der weiteren Erforschung der möglichen Auswirkungen dieser Faktoren auf den Kohlenstoffzyklus infolge des Klimawandels.
Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen den starken Zusammenhang zwischen dem Abflussregime, der Zusammensetzung und Dynamik von aquatischen Kohlenstoff und dem mikrobiellen Metabolismus in natürlichen Bächen. Diese Arbeit trägt dazu bei unser Verständnis von der Biogeochemie von Kohlenstoff in fluvialen Systemen und der Rolle von Bächen und terrestrischen Kohlenstoff für den Kohlenstoffzyklus, zu vertiefen.
Abstract
(Englisch)
Streams and rivers are major contributors to carbon cycling and account for large dissolved organic matter (DOM) export fluxes from the terrigenous environment to downstream ecosystems. Yet climatically and anthropogenically induced changes may impact the amount, composition and fluxes of DOM, with possible consequences for the delivery of DOM and carbon processing in streams. This thesis investigates the role of streams for carbon cycling, spanning ecosystems predicted to be particularly susceptible to climate change such as Alpine Glaciers and Alpine streams. It informs on the amount and composition of carbon fluxes from these environments and reveals the underlying controlling mechanisms. Furthermore, it reveals the relevance of DOM composition and dynamics for microbial metabolism.
In many alpine regions, headwaters - the smallest, but most numerous elements of fluvial networks- are fed by glaciers, which impact downstream ecohydrology and biogeochemistry. In addition to their prominent role in the hydrological cycle, glaciers are increasingly considered as ecosystems, where storage and transformation processes of organic carbon take place. Glacial melting may thus imply ultimate consequences for the amount and composition of glacial-derived DOM in the pro-glacial streams and carbon cycling. In order to evaluate the role of glaciers for carbon cycling and determine DOM source and composition, the molecular composition, radiocarbon age and bioavailability of DOM of 26 Alpine glaciers was investigated, employing a combination of ultra-high-resolution mass spectrometry, fluorescence spectroscopy and biodegradation experiments. Glacial DOM was dominated by a high-intensity polyphenolic population – typical for vascular plants and soils – alongside a large population of peptide-like unsaturated aliphatics – presumably of microbial origin and produced in-situ. These molecular populations were closely mapped by fluorescence signals derived from excitation-emission spectroscopy and parallel factor analysis (PARAFAC). Biodegradation assays were employed to study microbial degradation of glacial organic matter and calculate export fluxes of labile and recalcitrant moieties. Results suggest a metabolic link between ancient terrestrial organic carbon stored in Alpine glaciers and carbon cycling in pro-glacial streams. I calculated that the European Alps deliver 340 tons C yr-1, of which 162 tons carbon are potentially respired as CO2 to the atmosphere, highlighting the relevance of mountain glaciers for carbon cycling.
In order to further illuminate the coupling of DOM composition and microbial metabolism and its role for carbon cycling, DOM composition and dynamics in brown-water streams was investigated over a gradient of varying terrigenous inputs. Evidence suggests an increasing export of terrestrial DOC to aquatic systems in Northern America and North and Central Europe. This phenomenon commonly referred to as “browning” of inland waters is the result of the presence of terrigenous DOM containing large amounts of CDOM, which confers a brown color to natural waters. In order to evaluate the effect of browning on carbon cycling, streamwater CO2 concentrations were related to microbial metabolism in biodegradation assays. The relationship of microbial metabolism and degradation of terrigenous DOM showed that microbial carbon use efficiency (CUE) was ultimately related to DOM composition. Thus, the amount of DOM as well as the coupling of CUE with DOM composition constituted an important control on streamwater CO2. Changes in DOM composition associated with browning led to a decrease of CUE, highlighting the effect of browning on carbon cycling in streams.
To identify the mechanisms that control DOM composition, dynamics and fluxes we monitored DOM concentration and composition in the streamwater and hyporheic zone of an Alpine headwater stream over three years. Hydrology and seasonal parameters, such as photosynthetic active radiation (PAR) and streamwater temperature controlled streamwater and hyporheic DOM concentration and composition, and induced diurnal, seasonal and event-driven patterns. During periods of low flow, diurnal fluctuations in DOM concentration were pronounced; DOM composition was characterized by an autochthonous imprint, possibly from originating benthic algae. Increasing discharges frequently interrupted diurnal patterns and led to a relatively higher allochthonous DOM imprint, likely derived from the flushing of adjacent riparian soils. Accordingly, DOM export fluxes were largely of terrigenous origin as indicated by the aromaticity (a254: 24.71 ± 0.14 yr-1) and the fluorescent components modeled by parallel factor analysis. I calculated a DOC export flux of 4.03 ± 0.02 g m-2 yr-1 and a chromophoric DOM (a254) flux of 24.71 ± 0.14 yr-1 from the stream. Export fluxes of humic and fulvic-like fluorescence were comparatively higher than protein-like fluorescence export, further highlighting the relevance of terrigenous DOM in fluvial ecosystems. Our results underscore the relevance of the flow regime and seasonal-driven processes for DOM dynamics, composition and fluxes in Alpine streams and highlight the need for further research on how these climatically influenced factors may affect carbon cycling as a result of climate change.
The findings presented in this thesis underscore the strong link between the flow regime, DOM composition and dynamics, and microbial metabolism in natural streams. They enhance our understanding of DOM biogeochemistry in fluvial ecosystems and illuminate the role of streams and terrigenous DOM for carbon cycling.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
DOM dissolved organic matter stream CO2 microbial metabolism hyporheic zone DOM export glacier DOM fluorescence Alpine stream diurnal and seasonal DOM Bioassay biodegradation terrestrial DOM DOC bioavailable DOM
Schlagwörter
(Deutsch)
Gelöster organischer Kohlenstoff Bach Mikrobieller Metabolismus Hyporheische Zone Export von Gelöster organischer Kohlenstoff Fluoreszenz Alpiner Bach Diurnale uns saisonale Muster des gelösten organischer Kohlenstoff Inkubationsexperiment mikrobieller Abbau terrestrischer organischer Kohlenstoff bioverfügbarer organischer Kohlenstoff
Autor*innen
Christina Fasching
Haupttitel (Englisch)
Dissolved organic matter (DOM) biogeochemistry in streams
Paralleltitel (Deutsch)
Die Biogeochemie von gelöstem organischen Kohlenstoffs in Flüssen
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
93 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Andrea Butturini ,
Christopher Osburn
Klassifikation
42 Biologie > 42.93 Limnologie
AC Nummer
AC12626598
Utheses ID
34236
Studienkennzahl
UA | 094 | 437 | |