In-situ studies of microbial CH4 oxidation efficiency in arctic wetland soils - application of stabile carbon isotopes : Dissertation an der Universität Hamburg
Arktische Feuchtgebiete sind signifikante Quellen des klimarelevanten Spurengases Methan (CH4). Die beobachtete Erwärmung der Arktis bewirkt ein tieferes Auftauen des Permafrosts, durch welches eine erhöhte Kohlenstoffmineralisierung und CH4-Bildung in durch Permafrost geprägten, wassergesättigten Tundraböden begünstigt wird und somit eine positive Rückkopplung auf den Klimawandel darstellen könnte. Aerobe CH4-Oxidation wird als entscheidender Prozess angesehen, CH4-Emissionen aus Feuchtgebieten zu reduzieren, jedoch ist eine Quantifizierung der Umsatzraten hier bisher schwierig. Diese Studie verbessert die in-situ Quantifizierung der mikrobiellen CH4-Oxidationseffizienz in arktischen Feuchtgebieten des russischen Lenadeltas basierend auf den stabilen Isotopensignaturen von CH4. Zusätzlich zur üblichen Bestimmung der Fraktionierung durch Oxidation wurde die Fraktionierung während der Diffusion – dem wesentlichen Gastransportmechanismus in Tundraböden – unter sowohl gesättigten als auch ungesättigten Bedingungen untersucht. Die Fraktionierungsfaktoren aox und αdiff wurden genutzt, um die CH4-Oxidationseffizienz anhand der stabilen CH4-Isotopensignaturen in Tundraböden mit unterschiedlicher Hydrologie zu berechnen. Desweiteren wurde die Methode angewandt, um den kurzfristigen Effekt einer Temperaturerhöhung in einem Klimamanipulationsexperiment zu untersuchen. Zum ersten Mal wurde die stabile Isotopenfraktionierung für CH4-Diffusion durch wassergesättigte Böden bestimmt mit αdiff= 1.001 ± 0.0002 (n= 3). Die Diffusion von CH4 durch luftgefüllte Poren in den untersuchten polygonalen Tundraböden führte zu einer C-Isotopenfraktionierung von αdiff= 1.013 ± 0.003 (n= 18). In den untersuchten Böden scheint der Fraktionierungsfaktor für wassergesättigte Bedingungen αdiff= 1.001 von besonderer Bedeutung für die Quantifizierung der CH4-Oxidationseffizienz zu sein, da der größte Teil des CH4 im wassergesättigten Bereich an der aeroben-anaeroben Grenzschicht oxidiert wird. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass αox sich stark zwischen den Standorten und Horizonten unterscheidet (Mittelwert αox= 1.018 ± 0.009) und somit von Fall zu Fall bestimmt werden muss. Der Einfluss von beiden Fraktionierungsfaktoren auf die Quantifizierung der CH4-Oxidation wurde analysiert unter Berücksichtigung der Diffusivität unter gesättigten und ungesättigten Bedingungen und der potentiellen Oxidationsraten. Der vorherrschende Wasserspiegel bestimmt das Ausmaß der CH4-Oxidation in arktischen Feuchtgebieten: wassergesättigte, organikreiche Böden wiesen eine Oxidationseffizienz von 10 bis 70 % auf, während Polygonzentren und -wälle mit einem aeroben Bereich im Oberboden Kapazitäten zur vollständigen Oxidation zeigten. Eine Temperaturzunahme könnte die CH4-Oxidationseffizienz von wassergesättigten Standorten längerfristig erhöhen, jedoch wurden keine kurzfristigen Effekte beobachtet. Die verbesserte in-situ Quantifizierung der CH4-Oxidation in Feuchtgebieten ermöglicht eine bessere Abschätzung der gegenwärtigen und zukünftigen CH4 Quellen und Senken in durch Permafrost geprägten Ökosystemen und ihre potentiel le Ausprägung im Zuge des Klimawandels.
