In Bodenmakroporen produzierte biogene Gasblasen

Gleichzeitige Messung der Gasblasengröße und CO₂-Konzentration mit VisiSens™ A3

Messungen von Treibhausgasen in Feuchtgebieten zeigen eine erhebliche räumliche und zeitliche Variabilität von biogenen Gasblasen, was darauf hindeutet, dass Heterogenitäten im Mikromaßstab die Bildung und das Austreten der Blasen beeinflussen. Traditionelle Techniken können jedoch nur Volumina messen, die mehrere Größenordnungen über dem Volumen einzelner Gasblasen liegen. Um Untersuchungen im Labor und im Feld durchzuführen wurde das VisiSens™ A3-System zur Analyse von Gasblasen aus hochorganischen Feuchtlandböden eingesetzt. Biogene Blasen aus einem anaerob inkubierten Bodenkern erreichten zwischen 0,02 und 2 ml und zeigtne einen CO₂-Konzentrationsbereich von 0,7 - 8,5 %, sogar zwischen benachbarten Blasen, die weniger als 5 cm voneinander entfernt waren. Biogene Gasblasen, die durch Eruptionsereignisse in einem stehenden Teich entwichen, konnten ebenfalls mit VisiSens™ A3 im Feld quantifiziert werden. Dies bot die einzigartige Möglichkeit, das Timing, die Größe und die CO₂-Konzentration mit bisher nicht erreichter Genauigkeit zusammen zu erfassen.

Ein Bodenkern wurde aus dem Cranberry Marsh, Ontario, Kanada, extrahiert. Das Sediment bestand hauptsächlich aus Sand mit einem hohen Anteil organischer Substanzen aus Detritus, der während Hochwasserereignissen aufgefangen wurde. Der Kern wurde aus Sediment unter dem Wasserspiegel extrahiert und sofort 30 Tage lang inkubiert, um anaerobe Bedingungen zu schaffen. Der Wasserpegel wurden für die Dauer des Experiments bei + 2 cm über dem Sediment gehalten. Eine Plastikspritze wurde verwendet, um das Bodenwasser, das die biogenen Gasblasen enthielt, aus dem Sediment zu extrahieren. Ein Trenngefäß (Abb. 1B) wurde aus langen Glasrohren hergestellt und mit CO₂-freiem Wasser gefüllt. Die Sensorfolie (SF-CD1R, PreSens) wurde an einem Ende des Trennbehälters mit einer dünnen Schicht Kwik-Sil-Epoxid befestigt. Es wurde darauf geachtet, dass ausreichend Epoxid verwendet wurde, um eine gute Abdichtung um jedes Rohrende zu gewährleisten. Für Messungen wurde das Trenngefäß in ein großes Wasserreservoir eingetaucht, so ausgerichtet, dass Gase aus den nicht abgedichteten Enden der Röhrchen austreten konnten. Dann wurde das Trenngefäß unter Wasser aufgerichtet, um sicherzustellen, dass keine Gase mehr in die Röhren gelangten. Die Kamera wurde auf der dem Trennbehälter zugewandten Seite montiert. Der Abstand von Kamera und Sensorfolie wurde so eingestellt, dass die Enden von vier Röhrchen (Form mit Permanentmarker nachgezeichnet, Abb. 1A) im Sichtfeld der Kamera waren. Vier Blasen wurden in schneller Folge aus dem Bodenkern extrahiert. Mit der Software VisiSens™ AnalytiCal 3 wurden für 6,6 Minuten alle 10 Sekunden Bilder aufgenommen (40 Bilder). Sobald einige Bilder des Grundzustandes aufgenommen worden waren, wurden die vier Blasen nacheinander in jeweils eine Röhre des Trenngefäßes injiziert. Um Eruptionsereignisse zu überwachen, wurde eine modifizierte Messanordnung für vier Stunden in einem stehenden Teich aufgebaut. Das Trenngefäß wurde durch einen Trichter ersetzt, der von der SF-CD1R-Sensorfolie abgedeckt wurde. Indem die Folie nicht durch Glasröhrchen aufgeteilt wurde, konnten größere biogene Gasblasen beurteilt werden. Große Blasen wurden zuvor visuell erfasst. Eine Vier-Stunden-Messung mit einem 10-Sekunden-Bildaufnahmeintervall wurde durchgeführt. Der Trichter wurde alle 10 Minuten auf eingefangene Blasen untersucht. Nachdem eine Blase eingefangen wurde, wurden mit der Kamera etwa 7 Bilder aufgezeichnet. Danach wurde der Trichter gekippt, um die Blase zu entfernen und dann wieder in Position gebracht.

Gasblasen bildeten sich im gesamten Bodenkern vor allem in allen Makroporenräumen, wobei die größten Blasen in der Nähe von organischem Material anstatt an Stellen mit hoher Sandkonzentration zu finden waren. Die Gasblasengrößen, von 0,02 bis 20 ml, stimmten mit der unregelmäßigen Form der Makroporen überein. Über 40 Blasen wurden extrahiert und erfolgreich mit VisiSens™ bewertet. Insgesamt lagen die CO₂-Konzentrationen in den Blasen zwischen 0,7 und 8,5 % des Luftvolumens. Obwohl es nicht ungewöhnlich war, dass benachbarte Blasen ähnliche CO₂-Konzentrationen aufwiesen, wurde auch eine räumliche Heterogenität bei einem Abstand von weniger als 5 cm beobachtet (Abb. 2). Anscheinend gibt es einen negativen Zusammenhang von Blasengröße und CO₂ Gehalt, was darauf hindeutet, dass größere Blasen möglicherweise mehr CO₂-Akkumulation erlauben, wahrscheinlich aufgrund der längeren Verweildauer der Blase in der Bodenmatrix. Die Tiefe der Blasenbildung korrelierte ebenfalls mit der CO₂-Konzentration, wobei Blasen aus größerer Bodentiefe eine geringere CO₂-Konzentration aufwiesen. Die oberen Schichten des Sediments enthalten typischerweise frisch abgelagerte organische Substanzen, die sehr labil sind im Vergleich zu den teilweise zersetzten Substanzen in tieferen Sedimenten, deren labile Komponenten bereits verbraucht wurden. Die Feldüberwachung über den Zeitraum von vier Stunden erfasste drei Eruptionsereignisse innerhalb der Wassersäule unterhalb des Trichters. Das erste Ereignis ereignete sich nach 54 Minuten. Zwei kleine Blasen gingen der Emission einer großen Blase voraus, die viel größer war als die Oberfläche der Sensorfolie. Die CO2-Konzentration der anfänglichen Blasen war nicht viel größer als die gelöste Konzentration im Teichwasser. Die letzte Blase war viel größer und verschlang die davor aufgestiegenen Bläschen. Das zweite Ereignis trat nach 2 Stunden und 41 Minuten Überwachung auf. Eine kleine Blase mit hoher CO₂-Konzentration konnte getrennt beobachtet werden. Die letzte Eruptionsbeobachtung fand kurz nach drei Stunden und einer Minute statt. Die Bildqualität während dieses Ereignisses wurde durch stärkeren Ablauf aus einem Wehr verschlechtert, durch den mehr Sediment herangetragen wurde.