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Bestimmung des Einflusses von Ufer-rückläufigem Thermokarst-Absacken in Tundra-Seen

Biologischer Sauerstoffbedarf gemessen mit dem Fibox 3 LCD trace

Paul Moquin & Fred Wrona
University of Victoria, CA

Die Permafrosttemperaturen in der hohen Arktis sind gestiegen, was zu einer Vertiefung der aktiven Schicht und einer Zunahme der Thermokarstaktivität geführt hat. Der Permafrost-Rückgang, der häufig direkt an Seen stattfindet, ist mit terrestrischem Eintrag in die lakustrische Umgebung verbunden. Diese Studie verwendete einen in situ Mesokosmos-Ansatz, um die potenziellen Auswirkungen des Permafrost-Abbaus auf die basalen Bestandteile des Nahrungsnetzes zu bestimmen. Unterschiedliche Mengen von Permafrost- Sedimenten wurden zu Mesokosmen hinzugefügt, die in einem ungestörten arktischen See installiert waren, um Permafrost-Abbau sowie terrestrischen Eintrag zu imitierten. Der biologische Sauerstoffbedarf (BOD) in der pelagischen und benthischen Umgebung wurde wöchentlich während der eisfreien Saison unter Verwendung des Fibox 3 LCD trace Sauerstoffmessgeräts zusammen mit chemisch-optischen Sensoren gemessen. Die Bruttoprimärproduktivität (GPP) erwies sich als die größte Kohlenstoffquelle für die Nahrungsnetze dieser Systeme, unabhängig von der Versuchsbehandlung. GPP sank bei den Experimenten mit hohem Sedimentanteil in der pelagischen Zone um bis zu 70 % im Vergleich zu den Kontrollen, die nicht behandelt wurden. Benthisches GPP änderte sich nicht signifikant.

Die Permafrosttemperaturen in der hohen Arktis sind gestiegen, was zu einer Vertiefung der aktiven Schicht und einer Zunahme der Thermokarstaktivität geführt hat. Der Permafrost-Rückgang, der häufig direkt an Seen stattfindet, ist mit terrestrischem Eintrag in die lakustrische Umgebung verbunden. Dieser Eintrag, der formal als Shoreline Retrogressive Thermokarst Slumping (SRTS) bezeichnet wird, wurde mit Veränderungen chemischer und biologischer Parameter in Seen der nördlichen Regionen dieser Erde, die in Permafrost eingebettet sind, in Verbindung gebracht. Eine Reihe von synoptischen Studien zu Seen im Hochland des Mackenzie-Deltas haben ergeben, dass ein Absacken in die Seen dieser Region mit einem allgemeinen Rückgang der Trübung und Wasserfarbe, Verfügbarkeit von Nährstoffen in der Wassersäule sowie einer Reihe von biologischen Unterschieden einhergeht, wie z. B. größerer Makrophytenbiomasse in den beeinflussten Seen (Abb. 2). Um das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der in gestörten Seen beobachteten Transformationen zu verbessern, führten wir ein in situ Mesokosmos-Experiment durch, bei dem Sediment unterschiedlichen Volumens zugegeben wurden. Das Experiment fand in einem ungestörten Hochlandsee des Mackenzie Deltas statt und bestand aus zwölf 1 Meter großen quadratischen Mesokosmen, die in 1 Meter Tiefe installiert waren: drei Replikate für jeweils drei Sedimentadditionsstufen plus drei Replikate einer Kontrolle, in die keine Zusätze gegeben wurden (Abb. 1). Sedimente für die Zusätze wurden von einem SRTS-betroffenen See etwa einen Kilometer entfernt bezogen. Die Mesokosmen wurden im Frühjahr mit Sediment versetzt und im Verlauf der eisfreien Wachstumssaison (Anfang Juni bis Mitte September) überwacht. Wir nahmen wöchentlich Proben zur Bestimmung der Wasserchemie, der Primär- und Bakterienproduktion, sowohl in der benthischen als auch in der pelagischen Zone, und der Struktur der Zooplanktongemeinschaft und Biomasse. Die Primärproduktivität wurde durch BOD-Messung in Licht- und Dunkelflaschen-Experimenten bestimmt. Dazu wurde ein innovatives Licht- und Dunkelflaschen-Messsystem unter Verwendung optischer Sensortechnologie entwickelt. Mit einem optischen Sensorspot, der an die Innenseite der Flaschen geklebt wurde, konnten Sauerstoffkonzentrationen in sehr niedrigen Konzentrationen in situ gemessen werden. Das faseroptische Messsystem eignete sich sehr gut zur Sauerstoffüberwachung im Feld. Unser Interesse konzentrierten sich auf die bakterielle Produktion und Primärproduktion sowohl in der pelagischen als auch in der benthischen Zone, da diese die basalen Komponenten des Nahrungsnetzes und die Kohlenstoffquelle für höhere trophische Ebenen darstellen. Durch den Zusatz von Permafrost-Sedimenten verusachte Veränderungen könnten aufzeigen, wie sich SRTS auf arktische Seen auswirken. Darüber hinaus könnte die Studie dazu beitragen, zu ermitteln, ob SRTS das Kohlenstoffbudget von Seen beeinflusst, die in Permafrost eingebettet sind, und von denen bekannt ist, dass sie eine große potentielle Kohlenstoffquelle auf globaler Ebene darstellen.

BOD-Experimente

Die primäre Produktivität wurde unter Verwendung von BOD-Inkubationen bewertet, wobei die Sauerstoffkonzentration von Wasserproben in Licht- und Dunkelflaschen sowohl vor als auch nach einer gegebenen Inkubationszeit gemessen wurde. Während BOD-Experimente typischerweise im Labor durchgeführt werden und unter Umständen langwierige Techniken wie Titrationen beinhalten, mussten unsere Experimente in situ durchgeführt werden, da die experimentelle Behandlung die optischen Eigenschaften des Wassers und damit die Ergebnisse beeinflusst hätte. Daher wurde ein Optroden-basiertes System (Fibox 3 LCD-Spur, von PreSense) verwendet, um die Sauerstoffkonzentration zu messen. Optische Sauerstoffsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung, wobei der Grad der Löschung mit dem Sauerstoffpartialdruck korreliert. Das System bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Sauerstoff-Messmethoden, vor allem auch die Möglichkeit, präzise Messungen niedriger Konzentrationen ohne Chemikalien und in Echtzeit durchzuführen. Das ermöglichte auch kurze Inkubationszeiten, was Bedenken hinsichtlich Gemeinschaftsverlagerungen in dem Behälter während der Inkubationszeit verringerte. BOD-Experimente in der pelagischen Zone wurden in Licht- und Dunkelflaschen durchgeführt, während Licht- und Dunkelröhren mit einem Durchmesser von etwa 20 cm in der benthischen Umgebung verwendet wurden (3). Sensorspots für die Spurensauerstoffmessung wurden auf die Innenseite der Flaschen geklebt und ihre Signale mit dem Fibox 3 LCD trace ausgelesen. Die bakterielle Produktion wurde mit radioaktiv markiertem Leucin bewertet.

Ergebnisse der in situ Experimente

Die Ergebnisse zeigten, dass die Primärproduktion in der pelagischen Zone die Hauptquelle für Kohlenstoff in diesen Systemen ist, und unabhängig von der Sedimentbehandlung die bakterielle Produktion um zwei Größenordnungen übersteigt. Die Sedimentbehandlung hatte eine Abnahme der Bruttoprimärproduktion in der pelagischen Zone zur Folge, während im Benthos keine signifikanten Unterschiede festzustellen waren. Die bakterielle Produktion nahm in der pelagischen Zone ab, stieg aber im Benthos um bis zu 500 % an. Die Analyse der Zooplankton-Daten ergab, dass der Rückgang der pelagischen Primärproduktion auf den erhöhten Weidedruck durch Cladocera zurückzuführen war, der ebenfalls mit Sedimentbehandlung zunahm.

Zusammenfassung

Die Bestimmung der Primärproduktivität durch Messung des BOD mit dem Fibox 3 LCD trace ermöglichte eine in situ Analyse und somit garantiert realistische Bedingungen. Die optische Sensortechnologie erwies sich als ein ideales Werkzeug für diese Experimente, und lieferte korrekte Messungen bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Thermokarst-Absacken zumindest im Anfangsstadium eines Einbruchs eine Bereicherung darstellt. Während sich viele der Studien bisher auf die physio-chemischen Umwandlungen in beeinflussten und unbeeinflussten Seen konzentriert haben, legt diese Studie nahe, dass trophische Wechselwirkungen wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei den Kontrasten spielen, die zwischen Seetypen beobachtet werden. Unsere Ergebnisse deuten jedoch nicht darauf hin, dass sich der Status dieser Seen als CO2-Quellen infolge des erhöhten Thermokarst-Absackens verändern wird. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass das Experiment nur die Anfangsstadien des Transformationsprozesses abbildet. Langfristige Experimente sind geplant, um diese Fragen besser zu beantworten.

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