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O2-, pH- und CO2-Dynamik in Salzmarsch-Gezeitentümpeln

Untersuchungen bei verschiedenen Lichtbedingungen mit optischen Profiling Mikrosensoren und einem automatischen Mikromanipulator

Ketil Koop-Jakobsen1 und Martin Gutbrod2
1Universität Bremen, MARUM -  Zentrum für Marine Umweltwissenschaften , Bremen, Deutschland
2PreSens Precision Sensing GmbH, Regensburg, Deutschland

Salzmarsch-Tümpel sind extreme Umgebungen, die durch eine hohe mikrobielle Aktivität und starke biogeochemische Gradienten an der Sediment-Wasser-Grenzfläche gekennzeichnet sind. In dieser Studie untersuchten wir die O2-, pH- und CO2-Dynamik in der oberen Sedimentschicht von Marsch-Tümpeln bei verschiedenen Lichtverhältnissen. Unter Verwendung des automatisierten Mikroprofilingsystems von PreSens (Automated Micromanipulator AM & Profiling Microsensor PM) wurde O2-, pH- und CO2-Profiling in Sedimentkernen aus Marsch-Tümpeln in einer Wachstumskammer unter Belichtung von 0 bis 350 Photonen m-2 s-1 durchgeführt. Die Sauerstoffeindringtiefe stieg von 1 mm im Dunkeln auf 2 bis 6 mm bei Licht. An der Sediment-Wasser-Grenzfläche führte photosynthetische Aktivität durch benthische Mikroalgen und andere photoautotrophe Organismen zu übersättigten Sauerstoffbedingungen (400 - 700 μM) bei Licht. Im Gegensatz dazu wurden pH und CO2 an der Sedimentoberfläche durch die unterschiedlichen Lichtbedingungen und hohe photosynthetische Aktivität nicht beeinflusst, was auf eine hohe Pufferkapazität des Tümpelwassers und Sediments schließen lässt.

Salzmarsche sind wichtige Lebensräume, die die Übergangszone zwischen Land und Meer bilden. Sie bieten eine breite Palette von Ökosystemleistungen wie Küstenschutz bei Sturmfluten oder Meeresspiegelanstieg, sowie Nährstoffrückhaltung und Kohlenstoffsequestrierung. Die Oberfläche des Salzmarsches ist mit Gräsern besiedelt, die an häufige Gezeitenüberflutungen angepasst und tolerant gegenüber unterschiedlichen Salzkonzentrationen sind. Flache Marsch-Tümpel sind ein besonderes Merkmal von Salzmarschlandschaften (Abb. 1). Die Teiche werden durch Erosion, in der Regel nach dem Absterben der Vegetation, oder durch Eiserosion erzeugt und hinterlassen ein permanentes Wasserbecken auf der Marschoberfläche. Die Größe variiert, aber in der Regel sind die Tümpel 5 - 10 m im Durchmesser und 20 - 50 cm tief. Marsch-Tümpel dienen als Zuflucht, Schutz und Laichgebiet für eine große Vielfalt an Fischen und Schalentieren. Es wird erwartet, dass als Reaktion auf den Anstieg des Meeresspiegels und vermehrte Sturmereignisse, die Flächenabdeckung von Teichen in Tidensümpfen zunimmt, was die Fähigkeit der Sümpfe, Kohlenstoff und Nährstoffe zu speichern, verändern kann. Bislang wurden Salzwassertümpel in Ökosystemstudien im Salzmarsch oft übersehen, doch in jüngster Zeit haben sie als Reaktion auf die Ausweitung ihrer Flächendeckung verstärkt Aufmerksamkeit auf sich gezogen. In Tidesümpfen werden die Tümpel häufig überflutet (im Sumpf bei Ebbe, im Hochsumpf ein- oder zweimal im Monat). Fast das ganze Jahr über stagniert das Wasser und es bilden sich biogeochemische Gradienten in der Sediment- und Wassersäule. Der Boden der Marsch-Tümpel wird von unbewachsenen schlammigen Sedimenten dominiert, meist mit einer dicken mikrobiellen Matte, die aus einem vielfältigen Konsortium von Mikroorganismen besteht, einschließlich grüner Schichten benthischer Mikroalgen. In diesen Studien wird auch eine rosafarbene Schicht, die aus einem Konsortium von Bakterien besteht, die den Schwefelzyklus nutzen, gezeigt (Abb. 2). Die Marsch-Tümpel sind eine extreme Umgebung, die vollständig dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, wodurch die Lichtverhältnisse und die Temperatur im Teich während des Tages stark variieren. Außerdem kann der Salzgehalt aufgrund der Verdunstung über den Gehalt des Ozeans hinaus zunehmen. Die photosynthetische Aktivität von benthischen Mikroalgen und anderen photoautotrophen Organismen sowie die Atmung der mikrobiellen Matte ist verantwortlich für ausgeprägte räumlich-zeitliche Veränderungen von O2, pH und CO2 im Laufe des Tages. Die tägliche Variation in diesen Teichen muss jedoch noch charakterisiert werden. In dieser Studie untersuchten wir die räumliche Dynamik von O2, pH und CO2 an der Sediment-Wasser-Grenzfläche unter Verwendung einer Mikrooptoden-Profilingausrüstung von PreSens. Ziel der Studie war es aufzuklären, wie benthische mikrobielle Aktivität kleine vertikale biogeochemische Gradienten unter verschiedenen Lichtbedingungen beeinflusst.

Material & Methoden

Mit dem optischen Mikroprofiling-System von PreSens (Automated Micromanipulator AM und Profiling Microsensors PM) wurde die räumliche Sauerstoff-, pH- und CO2-Dynamik unter verschiedenen Lichtbedingungen untersucht: 0, 25, 150 und 350 Photonen m-2s-1 photosynthetisch aktive Strahlung (PAR ). Sedimentkerne (∅ 7 cm) wurden in einem Marsch-Tümpel im Salzmarsch der Plum Island Estuary, Nord-Massachusetts, USA, gesammelt. Das Mikroprofiling wurde in einer Wachstumskammer bei einer konstanten Temperatur von 20 °C durchgeführt (Abb. 3). Vertikale Profile wurden von 1 cm oberhalb bis 1 cm unterhalb der Sedimentoberfläche mit einer räumlichen Auflösung von 150 - 500 µm pro Schritt gemessen. Sauerstoff- und pH-Profile wurden in 3 Replikatkernen gemessen, während in zwei ausgewählten Kernen CO2-Konzentrationsprofile ermittelt wurden. Die Position der Sedimentoberfläche wurde durch visuelle Inspektion bestimmt. Das darüberliegende Wasser wurde gerührt, indem wir Luft über die Wasseroberfläche strömen ließen.

Mikroprofiling-Ergebnisse

Der Profiling O2 Microsensor erlaubte detaillierte Einblicke in die Sauerstoffdynamik am Boden der Gezeiten-Tümpel, die sich bei wechselnden Lichtverhältnissen als sehr variabel erwies (Abb. 4). In Dunkelheit und bei sehr schlechten Lichtverhältnissen (25 PAR) wurde das Sediment innerhalb des ersten Millimeters anoxisch. Bei Licht (150 und 350 PAR) zeigte sich jedoch die photosynthetische Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft deutlich in den Sauerstoffprofilen, die eine Sauerstoffkonzentration an der Sedimentoberfläche von 400 bis 700 µM erreichten, was 2 bis 3 mal höher ist als die atmosphärische Sauerstoffsättigung (230 µM O2 bei 20 °C und Sal. 35 PSU). Die höchste Sauerstoffkonzentration an der Sedimentoberfläche variierte nicht zwischen 150 und 350 PAR, was darauf hindeutet, dass die Photosyntheseaktivität der mikrobiellen Gemeinschaft bei sehr niedrigen Lichtintensitäten lichtgesättigt wurde. Die photosynthetische Aktivität hatte einen deutlichen Einfluss auf die Sauerstoffeindringtiefe im Sediment, die von ca. 1 mm im Dunkeln auf 2 - 6 mm bei 150 PAR zunahm.

Der pH-Wert der Wassersäule war bei 7,2 bis 7,4 relativ stabil. Von der Sedimentoberfläche bis zu einer Tiefe von 6 bis 8 mm nahm der pH-Wert langsam um 0,2 pH-Einheiten ab. Obwohl die Sauerstoffprofile während der Belichtung eine ausgeprägte photosynthetische Aktivität zeigten, beeinflusste diese Aktivität den pH-Wert an der Sedimentoberfläche nicht, und bei verschiedenen Lichtbehandlungen konnten keine räumlichen Unterschiede in den pH-Profilen beobachtet werden (Abb. 5).

CO2 wurde in ausgewählten Kernen bei Lichtintensitäten von 25 und 150 PAR gemessen. Die CO2-Konzentration war in der Wassersäule stabil, stieg aber im Sediment, als Reaktion auf CO2–Akkumulation, die durch benthische Atmung verstärkt und durch niedrigere pH-Bedingungen unterstützt wird (6), signifikant an. Zu unserer Überraschung hatte die hohe benthische Photosyntheseaktivität, die die O2-Profile stark beeinflusste, keinen Einfluss auf den pH-Wert oder die CO2-Konzentration an der Sedimentoberfläche, was darauf hindeutet, dass das Marschwasser eine hohe Pufferkapazität aufweist.

Zusammenfassung

Das optische Mikroprofiling-System ermöglichte hochaufgelöstes Profiling an der Sediment-Wasser-Grenzfläche, was einen Einblick in die Biogeochemie dieser extremen Umwelt erlaubte. Das System kann einfach an unterschiedliche Kernabmessungen und Grenzschichthöhen angepasst werden. Die schnelle Reaktionszeit der O2- und pH-Mikrooptoden ermöglichte schnelles Profiling, mit einem Zeitbedarf von 20 - 40 Minuten pro Profil. Die CO2-Optode hat eine längere Ansprechzeit und das Profiling dauerte normalerweise einige Stunden. Darüber hinaus wurden CO2-Messungen durch Störungen erschwert, die durch hohe Sulfidkonzentrationen im Porenwasser verursacht wurden.

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