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Sauerstoff-Dynamik um eingebettete Teerkugeln in Meeressand aus Florida
Eine Laborstudie zum Test des VisiSens™ Sauerstoff-Bildgebungssystems
Markus Huettel
Department of Earth, Ocean and Atmospheric Science, Florida State University, FL, USA
Nach dem Unglück auf der Deepwater Horizon im Jahr 2011 wurde Rohöl in unbekannter Menge in das sandige Schelf und die Ufersedimente des nordöstlichen Golfs von Mexiko eingebettet. Sauerstoff ist ein Schlüsselfaktor für mikrobiellen Ölabbau. In einer Labor-Gerinnestudie wurde das VisiSens™ System zur Überwachung der Sauerstoffdynamik um vergrabene Teerkugeln in marinem Sand aus Florida eingesetzt, der mit natürlichem Meerwasser inkubiert wurde. Zu Beginn zeigten die Sauerstoffbilder Stellen mit verringertem Sauerstoffverbrauch um die Teerkugeln herum. Innerhalb von 6 Tagen wurde jedoch ein niedrigerer Sauerstoffgehalt um das eingebettete Öl festgestellt, was den Sauerstoffverbrauch einer mikrobiellen Gemeinschaft nachweist, die sich auf und um den Teerball herum entwickelt hat.
Die Deepwater-Horizon-Katastrophe hat besondere Besorgnis über die Auswirkungen der Ölpest auf die Meeresökosysteme im Golf von Mexiko hervorgerufen. Öl wurde sowohl in Strandsedimenten als auch in Sublitoralsanden gefunden, wo es immer noch in unbekannten Mengen vorhanden ist. Die Sande auf dem West Florida Shelf sind hoch permeabel (Korngröße ca. 250 μm) und ermöglichen Wasserzirkulation durch die oberen Sedimentschichten. Dieser Wasseraustausch mit der darüber liegenden Wassersäule kann Sauerstoff in das Sediment transportieren, was einen aeroben mikrobiellen Ölabbau erlaubt. Auf der anderen Seite kann vergrabenes Öl toxische Substanzen freisetzen, die die mikrobiellen Aktivitäten und damit den Sauerstoffverbrauch reduzieren können. Diese Studie befasst sich mit der Frage, ob Porenwasserströmungen die Dynamik von Sauerstoff um eingebettetes Öl ("Teerkugeln") beeinflussen und ob diese Sauerstoffdynamik den aeroben Ölabbau widerspiegelt. Ein Gerinneexperiment wurde entwickelt, bei dem Sauerstoffsensorfolien und das VisiSens™ System zur Visualisierung der Sauerstoffdynamik um kleine Teerkugeln verwendet wurden, die in durchlässigen Sand aus Floridas eingebettet sind.
Material & Methoden
Ein Sedimentkern (60 cm lang, 30 cm breit, 20 cm tief) aus Sand des Pensacola Beach (FL) wurde in einem rezirkulierenden System mit natürlichem Meerwasser (Salinität 30, Temperatur 22 °C) inkubiert, das einen Wasserfluss von 10 cm Höhe und 12 cm s-1 Austrittsgeschwindigkeit über den Sand produzierte. 8 planare Optrodenfolien (Sensorfolie SF-RPSU4, PreSens), jeweils 4 x 4 cm groß, wurden mit Silikon nebeneinander an die innere Kanalwand geklebt, so dass jede Folie ca. 1 cm über die Sedimentoberfläche hinausragte. Die Optroden wurden mit der VisiSens™ Kamera (Detector Unit DU01, PreSens) ausgelesen. 4 kleine Teerkugeln (5 mm Durchmesser, 5 mm lang), jeweils hergestellt aus 160 mg verwittertem Deepwater Horizon Öl gemischt mit Sand, wurden in 2 cm Sedimenttiefe, direkt neben den Sensorfolien eingebettet. Eine anfängliche kurze Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit auf 30 cm s-1 erzeugte kleine Wellen in der Sedimentoberfläche von ca. 1 cm Amplitude. Die Wellentopographie wurde unter Verwendung von Hintergrundbeleuchtung quantifiziert. Der Sauerstoffgehalt im Wasser wurde bei 100 % Luftsättigung gehalten, überwacht durch einen Sauerstoffmikrosensor, der mit einem PreSens Microx TX3 verbunden war. Die VisiSens™ Kamera wurde auf einer parallel zum Gerinne verlaufenden Schiene montiert, in einem Abstand, der die Aufnahme einer planaren Sensorfolie ermöglichte. Das Verschieben der Kamera entlang der Schiene erlaubte somit eine serielle Abtastung aller 8 Sensorfolien. Die Sauerstoffsensorfolien wurden mit oxischem und anoxischem Wasser kalibriert. Der Sauerstoff im Sediment wurde manipuliert, indem der Strom im Kanal ein- und ausgeschaltet wurde. Zeitreihen von einzelnen Sensorfolien wurden mit Scans aller Optroden kombiniert, um die Veränderungen des Sauerstoffs im Sediment um das eingebettete Öl herum über die Zeit zu bestimmen. Die Rohbilder wurden mit der VisiSens AnalytiCal 1 Software ausgewertet.
Sauerstoffdynamik im Bereich der Teerkugeln
Nach Beginn der Strömung im Gerinne entwickelte sich eine allgemeine Sauerstoffverteilung mit aufsteigendem, anoxischem Porenwasser unter Wellenkämmen und absinkendem, sauerstoffreichem Wasser in Wellentälern. Die Zeitreihe (10 Minuten Intervall, 10 h Dauer) der Sensorfolie Nr. 5 zeigte, dass es nach dem Einrichten des Gerinnesedimentkerns ca. 10 h dauerte um anoxisches Porenwasser aus tieferen Sedimentschichten zur Sedimentoberfläche zu transportieren. Zu Beginn war im Bereich der Teerkugeln verringerter Sauerstoffverbrauch zu beobachten, wahrscheinlich aufgrund toxischer Effekte der konzentrierten Kohlenwasserstoffe, die von den Teerkugeln freigesetzt wurden (Abb. 2A). Der Teerball war in einer Zone mit höherer Sauerstoffkonzentration in der anoxischen Porenwasserfahne eingeschlossen, die durch die Strömung zur Oberfläche gezogen wurde. Innerhalb von 6 Tagen Inkubation im Gerinne konnte eine Veränderung des Sauerstoffprofils beobachtet werden, die abnehmende Konzentrationen in Richtung des Teerballs zeigte (Abb. 2B). Nach dieser Zeit hatte sich eine mikrobielle Gemeinschaft auf und um die Teerkugeln herum entwickelt, die im Vergleich zu den umgebenden Sedimenten höhere Sauerstoffverbrauchsraten verursachte. In Abbildung 3 hat sich die Topographie an der Sensorfolie Nr. 5 von einem Wellenkamm zu einem Wellental verändert, und sauerstoffhaltiges Wasser wurde in das Sediment gedrückt. Wir erstellten mit dem VisiSens™ System eine Zeitreihe mit hoher Auflösung in 2-Sekunden-Intervallen. Der vergrabene Teer produzierte eine Zone mit niedrigerer Sauerstoffkonzentration, was einen höheren Verbrauch als in dem umgebenden Sediment andeutete. In der Wiederholung dieses Experiments zeigte sich ein klarer roter Hof um den Teerball herum. Die Sauerstoffprofile, die durch die vertikale Ebene des Teerballs gemessen wurden, zeigen die betroffene Zone im Laufe der Zeit. Nach 7 Tagen hatte der eingebettete Teer aufgrund der Freisetzung von Kohlenwasserstoffen, die mikrobielle Nahrung lieferten, eine Schicht erhöhten Sauerstoffverbrauchs erzeugt, obwohl die Steigungen reduziert waren.
Zusammenfassung
Sauerstoff ist ein Schlüsselfaktor für mikrobiellen Ölabbau. Die Visualisierung der Sauerstoffdynamik über die Zeit mit dem VisiSens™ System eröffnete die Möglichkeit für einen neuen Ansatz. Das Plug & Play System erlaubte es, sofort zu starten und erste Testmessungen durchzuführen. Obwohl das System aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht nicht für Feldaufnahmen geeignet war, lieferten seine Anwendung im Gerinne und die Zeitreihenmessungen einen guten Überblick über den Zeitrahmen, in dem sich eine mikrobielle Gemeinschaft um vergrabenes Öl bildet. Auch Informationen darüber, wie der Fluß von oxischem und anoxischem Wasser durch den durchlässigen Sand den mikrobielle Ölabbau beeinflussen kann, wurden so gesammelt. Da chemisch-optische Sensorsysteme auch in Hochdruckumgebungen eingesetzt werden können, könnte dieses System eine interessante Option für die Tiefseeforschung sein.