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Überwachung der Sauerstoffdynamiken an der Sediment-Wasser-Grenzfläche

Nicht-invasive Messungen an bestimmten Punkten in SensorVials

Marion Köster
Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald, Institut für Mikrobiologie, Mikrobielle Ökologie, Deutschland

In marinen Ökosystemen werden Prozesse an der Sediment-Wasser-Grenzfläche durch eine aktive benthische Gemeinschaft beeinflusst, die in den obersten Millimetern des Sediments lebt. In Küstenzonen ist dieser benthische Bereich sehr aktiv und vielfältig, einschließlich hochproduktiver Mikroalgen, Bakterien und Protozoen, sowie kleiner Wirbelloser. Photosynthesisierende (Sauerstoff produzierende) und atmende (Sauerstoff verbrauchende) Aktivitäten der benthischen Gemeinschaft sind Schlüsselprozesse, die wesentlich zur zeitlichen und räumlichen Variabilität der Sauerstoffkonzentrationen an der Sediment-Wasser-Grenzfläche beitragen. In dieser Studie wurden SensorVials mit integrierten Sauerstoffsensorstreifen zur Untersuchung von Sauerstoffverteilungen eingesetzt. Mit dem Sauerstoffmessgerät OXY-4 mini wurden Messungen an drei verschiedenen Positionen in der Grenzschicht durchgeführt.

Seit den 1980er Jahren ist das Einstechen von Sauerstoffmikroelektroden und Mikrooptoden, mit Spitzendurchmessern von weniger als 50 µm, eine immer häufiger verwendete Methode in Labor- und Felduntersuchungen, um benthische Sauerstoffproduktion und Sauerstoffverbrauch an der Sedimentoberfläche zu bestimmen (z. B. Köster et al., 2008). Diese invasive Mikroprofiling-Technik kann Änderungen in der Sauerstoffverteilung und kleinste Störungen der Sedimentschichtung verursachen. Nicht-invasive und hochauflösende Sauerstoffmessverfahren bieten hier eine alternative Methode, um die räumliche und zeitliche Variabilität der Sauerstoffkonzentrationen an der Sedimentoberfläche abzuschätzen. Der PreSens Sauerstoffsensorstreifen ist ein fluoreszenzbasierter optischer Sensor (Typ PSt3), der in die Versuchsgefäße integriert wird (Abb. 2 a). Sauerstoffmessungen können damit kontinuierliche und nicht-invasiv an verschiedenen Stellen der Probe durchgeführt werden. Adapterringe, die mit einem Loch zum Einsetzen einer optischen Polymerfaser (POF) ausgestattet sind, um damit die Sensorantwort auszulesen, werden an bestimmten Stellen des Sensorstreifens positioniert (Abb. 2b), die verschiedenen Untersuchungsbereichen der Umweltprobe entsprechen. In unserer Vorstudie wurde getestet, ob sich PreSens SensorVials mit integriertem Sensorstreifen für die nicht-invasive O2-Überwachung an der Sediment-Wasser-Grenzfläche von Küstensedimenten eignen. In Zeitverlaufsexperimenten wurden SensorVials zur simultanen Messung der Sauerstoffverfügbarkeit in verschiedenen Tiefenzonen der Probe eingesetzt.

Material & Methoden

Mini-Sedimentsäulen von Mündungssedimenten (Rassower Strom, 54 ° 33,657' N, 13 ° 12,657' O, Wassertiefe 3,5 m) mit mikrophytobenthischer Besiedelung wurden in 20-ml-Glasbehälter überführt, die mit einem vertikal orientierten Sensorstreifen (Länge 4 cm, Breite 5 mm, Abb. 2) ausgestattet waren. 10 ml sauerstoffgesättigtes und auf 0,2 μm gefiltertes Brackwasser wurden zugegeben, bevor der Behälter verschlossen wurde. Drei Adapterringe (Vial-Adapter, Höhe 10 mm, Lochdurchmesser für POF-Einführung ca. 3 mm) wurden mit Schrauben an verschiedenen, genau festgelegten Positionen entlang des Sensorstreifens befestigt. Drei Positionen wurden ausgewählt: die Sedimentoberfläche (0 - 2 mm), eine Sedimenttiefe von ca. 1 cm und das ca. 2 cm über der Sedimentoberfläche liegende Wasser. Fluoreszenzsignale wurden über optische Polymerfasern zu einem 4-Kanal-Sauerstoffmessgerät (OXY-4 mini) übertragen. Daten wurden alle 5 Minuten aufgezeichnet (OXY-4-v2_30FB-Software). Versuchsgefäße wurden unter hellen und dunklen Bedingungen (12 h : 12 h) bei 21 ° C inkubiert.

Zeitreihen-Experimente

Abbildung 4 zeigt deutlich die Konzentrationsschwankungen von gelöstem Sauerstoff an der Sedimentoberfläche während der Hell- und Dunkel-Inkubation (grüne Kurve). Die oxygene photosynthetische Aktivität von benthischen Mikroalgen führte zu einem kontinuierlichen Anstieg des pO2 während einer 12-stündigen Lichtperiode. Die obersten 2 mm der Sedimentoberfläche waren am Ende der Lichtinkubation übersättigt. In der 12-stündigen Dunkelperiode führte die intensive aerobe Atmungsaktivität der benthischen Gemeinschaft innerhalb von nur etwa 1 h zu einem deutlichen Abfall der Sauerstoffsättigung auf Werte von weniger als 20% bzw. 40 % pO2; danach wurden die Sauerstoffverbrauchsraten während suboxischer Inkubation drastisch reduziert. Interessant war, dass die Sauerstoffproduktionsfähigkeit von benthischen Mikroalgen, die während der Dunkelinkubation für 10 h extrem niedrigen Sauerstoffkonzentrationen (< 20 % pO2) ausgesetzt waren, in der folgenden Lichtperiode nicht negativ beeinflusst wurde. Sedimente in einer Tiefe von 1 cm blieben während der gesamten Inkubationszeit kontinuierlich anoxisch (< 1% pO2). Obwohl das über dem Sediment liegende Wasser nicht kontinuierlich gerührt wurde, bewirkte die Bewegung von kleinen Invertebraten an der Sediment-Wasser-Grenzfläche, dass die Wassersäule im Licht durchmischt wurde, wohingegen eine reduzierte Bewegungsaktivität im Dunkeln zu einer langsameren Abnahme der Sauerstoffkonzentrationen führte.

Validierung und zukünftige Modifikationen

Unsere vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die PreSens SensorVials in Zeitverlaufsversuchen geeignete Instrumente zur simultanen Messung von Sauerstoff in verschiedenen Zonen von Umweltproben sind. Es ist besonders vorteilhaft, dass die Sauerstoffmesspostionen entsprechend den zu untersuchenden Mikrozonen (z. B. Sediment-Wasser-Grenzfläche) frei ausgewählt (positioniert) werden können. Die integrierten Sensorstreifen und Vial Adapterringe können einfach an spezielle Anforderungen von Umweltproben angepasst werden. In dieser vorläufigen Studie wurde die Anzahl und der minimale Abstand der Sauerstoffmesspositionen auf dem Sensorstreifen auf drei Positionen bzw. 1 cm begrenzt. Für zukünftige Untersuchungen wären Adapterringe kleinerer Größe (Höhe < 10 mm) und / oder größere Versuchsbehälter mit größeren Sensorstreifen wünschenswert. Darüber hinaus könnten Sedimentprobenahmezylinder mit integrierten Sensoren gleichzeitig als Inkubationsbehälter zur Online-Überwachung von zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Sauerstoffs unter definierten Laborbedingungen dienen.

Referenzen
Köster, M., Wardenga, R., and Blume, M. (2008) Microscale investigations of microbial communities in coastal sediments. Mar. Ecol. 29, 89 - 105.

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