TY - THES A1 - Kommana, Giulia T1 - Biogeochemical signatures in sediments by iron from mining areas : case study River Spree (NE Germany) T1 - Biogeochemische Signaturen in Sedimenten durch Eisen aus Bergbauregionen : am Beispiel der Spree (NO Deutschland) N2 - During open-cast lignite mining in Lusatia (NE Germany), iron sulfide minerals associated with lignite, are exposed to air and weather. The weathering products iron (Fe), sulfate and acids subsequently enter the fluvial-lacustrine system Spree and its tributaries. The aim of this work was to identify and explain the evolving biogeochemical signatures (spatio-temporal patterns) in River Spree. These signatures are significantly influenced by biogeochemical turnover processes triggered by iron input. To identify the signatures, a regional field study was conducted from the inland delta Spreewald to the mouth. This study was followed by two laboratory experiments under controlled redox conditions to investigate the effect of Fe on the long-term binding of phosphorus and the degradation of particulate organic material in the iron-enriched sediments. Characteristic elements introduced by lignite mining (iron, sulfur, aluminum, cobalt, nickel) and by urban areas (zinc, lead, copper, chromium) could be determined by means of a principal component analysis. Based on these findings, the impact range of the open-cast mining was determined to be at least ~ 90 km downstream of the Spreewald. Within the urban-influenced systems Fürstenwalde and Berlin, the urban signature is more dominant than the mining signature. By means of sequential extractions and XRD analyses of the sediments, iron binding forms and characteristic iron minerals have been additionally identified (e.g., Fe(III) oxyhydroxides, pyrite, vivianite). Sediment analyses and column experiments have shown that iron increases the phosphorus sorption and decreases the phosphorus release in the sediments of three studied lakes of the fluvial-lacustrine system. However, the application of different phosphorus retention models for Lake Neuendorfer See showed that Fe cannot reduce the eutrophic state of the lakes along the river, since the water retention times are too short and the external phosphorus loads are too high. Additionally, lake sediments with different Fe contents have been incubated with particulate organic material. Higher Fe contents resulted in reduced emissions of the greenhouse gases CO₂ and CH₄, which can be attributed to a reduced degradation of organic matter by Fe. Possible reasons include sorption processes of (dissolved) organic matter onto Fe oxyhydroxides and toxic effects of iron on microorganisms. Nevertheless, Fe (and sulfate) are available as electron acceptors during the decomposition of organic matter in River Spree. The findings of this work deepen the understanding of the impact of iron from mining on sulfur, phosphorus and carbon turnover processes in fluvial-lacustrine systems. As a consequence of the Fe input from the Lusatian area, the signature will persist for decades in River Spree. N2 - Mit der Braunkohle in der Lausitz (NO Deutschland) liegen Eisensulfide vor, die während des Abbaus der Braunkohle durch abgesenktes Grundwasser freigelegt werden und verwittern. Die Witterungsprodukte Eisen (Fe), Sulfat und Säure gelangen nachfolgend in das benachbarte fluvial-lakustrine System der Spree und ihre Zuflüsse. Im Rahmen der Arbeit wurden biogeochemische Signaturen (raumzeitliche Musterbildungen), in den Sedimenten der Spree identifiziert und erklärt. Diese werden durch biogeochemische Umsetzungsprozesse verursacht, die maßgeblich durch den Eintrag von Eisen gesteuert werden. Die Arbeit besteht aus einer regionalen Freilandstudie vom Spreewald bis zur Mündung zur Untersuchung der Sedimentzusammensetzung und zwei Laborversuchen unter kontrollierten Redoxbedingungen, um die Auswirkung von Fe auf die langfristige Bindung von Phosphor im Sediment sowie den Abbau von partikulärem organischem Material zu untersuchen. Mittels Hauptkomponentenanalyse konnten neben Fe und Schwefel charakteristische Elemente, eingetragen durch den Tagebau (u.a. Aluminium, Kobalt, Nickel) und durch urbane Gebiete (Zink, Blei, Kupfer, Chrom), definiert werden. Aufgrund dieser Signaturen wurde die Reichweite des Tagebaueinflusses auf mindestens 90 km flussabwärts des Spreewaldes bestimmt, wobei die Bergbausignatur im Fürstenwalder und Berliner Stadtgebiet von der urbanen Signatur abgelöst wird. Mithilfe sequentieller Extraktionen und XRD konnten zusätzlich Eisenbindungsformen und charakteristische Fe-Minerale identifiziert werden (z.B. FeIII oxidhydroxide, Pyrit, Vivianit). Sedimentuntersuchungen und Säulenversuche haben bestätigt, dass Fe aus dem Tagebau die Phosphor-Sorption in Sedimenten von drei Spree-Seen erhöht und die Rücklösung verringert. Die Anwendung von Phosphor-Retentionsmodellen am Beispiel des Neuendorfer Sees hat allerdings gezeigt, dass Fe den eutrophen Zustand der Seen entlang der Spree nicht verringern kann, da insbesondere die Wasseraufenthaltszeiten zu gering und die externen Phosphor-Frachten zu groß sind. Zudem wurden Spree-Sedimente mit vers. Eisengehalten mit partikulärem organischen Material inkubiert. Die erhöhten Fe-Gehalte führten zu einer reduzierten Produktion der Treibhausgase CO₂ und CH₄, welches auf einen geringeren Abbau von organischem Material durch Fe zurückgeführt wurde. Als Gründe wurden insbesondere Sorptionsprozesse des (gelösten) organischen Materials an Fe-oxidhydroxide und toxische Effekte des Eisens auf Mikroorganismen diskutiert. Dennoch stehen Fe (und Sulfat) als Elektronenakzeptoren während des Abbaus von organischem Material in der Spree zur Verfügung. Die Erkenntnisse dieser Arbeit vertiefen das Verständnis über die Folgen des eingetragenen Eisens vom Bergbau auf Teilprozesse der biochemischen Kreisläufe von Schwefel, Phosphor und Kohlenstoff in fluvial-lakustrinen Systemen. In der Spree werden die Signaturen infolge des Fe-Eintrags noch mehrere Jahrzehnte erhalten bleiben. KW - Iron KW - Lignite mining KW - Sediment composition KW - Biogeochemical processes KW - Element cycling KW - Eisen KW - Braunkohleabbau KW - Sedimentzusammensetzung KW - Biogeochemische Prozesse KW - Elementkreisläufe KW - Spree KW - Biogeochemie KW - Braunkohlentagebau KW - Eisen KW - Phosphor KW - Flusssediment KW - Hauptkomponentenanalyse Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64708 ER - TY - THES A1 - Schreckinger, José T1 - Short- and long-term succession in intermittent rivers and ephemeral streams : sediment microbial communities structure and biogeochemical trajectories T1 - Kurz- und langfristige Sukzession in intermittierenden Flüssen : Struktur mikrobieller Sedimentgemeinschaften und biogeochemische Trajektorien N2 - Intermittent rivers and ephemeral streams (IRES) experience drying events, and they are becoming increasingly common due to climate change and anthropogenic water withdrawal. Despite their prevalence, IRES have been less studied than non-drying rivers, and more research is needed to understand their dynamics. This dissertation examines drying events' effects on the sediment microbial community structure and biogeochemistry in temperate IRES. First, a research study was carried out using an outdoor mesocosm setup to track changes in bacterial and fungal communities, microbial functions and properties of sediment-dissolved organic carbon during three different drying events. Results showed that drying duration and intensity and sediment organic matter content regulated river Spree sediment microbial community composition and biogeochemical processes during drying. The associated sediment respiration, assessed as CO2 flux, rapidly declined during all drying treatments, and Bacilli class became the most dominant bacteria after 90 days of drying, except in non-enriched sediment under the most intense drying. Second, a microcosm experiment was conducted to understand how sediment drying history and properties influence biogeochemical dynamics during an IRES expansion phase. Sediment respiration and nutrient release/retention rates were measured through flow resumption, and results showed that drying duration and intensity and sediment organic matter content regulated the dynamics of nutrients and respiration upon flow resumption. Under the most intense and prolonged drying, non-enriched sediment showed a lag response in respiration during the first day after flow resumption, while all other treatments had either a linear increase or a fast pulse in respiration. Finally, the long-term microbial succession in IRES sediment and soil in the experimental catchment of Chicken Creek was investigated. In 2008 and 2018, the sediment of three ephemeral streams and their adjacent soil was analyzed for the structure of the bacterial and fungal communities and microbial functions across different seasons. Results showed that environmental factors, such as vegetation type and organic matter content, mediated sediment and soil microbial succession in Chicken Creek. Ephemeral streams under spare and sporadic flow events remained unique ecosystems with distinctive microbial communities and biogeochemical dynamics, different from its riparian soil. Overall, this dissertation concludes that temperate IRES are dynamic ecosystems where dry-wet cycles and environmental factors modulate their sediment microbial community structure and function trajectories in the short- and long term. N2 - Periodisch wiederkehrende Bäche und Flüsse (IRES, intermittent rivers and ephemeral streams) sind Gewässerkörper die episodisch austrocknen und durch Klimawandel und anthropogener Wasserentnahme zunehmend häufiger werden. Obwohl sie weit verbreitet sind, sind IRES bisher weit weniger erforscht worden als dauerhaft wasserführende Flüsse. Die vorliegende Dissertation untersucht Auswirkungen von Trockenperioden in IRES der gemäßigten Klimazone auf biogeochemische Parameter des Sediments sowie bakterielle und pilzliche Gemeinschaften. Zum einen wurde in einem Mesokosmen-Experiment im Freiland die bakterielle und pilzliche Diversität, sowie Eigenschaften von sedimentären, gelösten organischem Kohlenstoff und mikrobiellen Funktionen für verschiedene Austrocknungsintensitäten untersucht. Die Dauer und Intensität der Austrocknung, sowie die Konzentration an organischer Substanz, bewirkten maßgeblich eine Veränderungen der Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft sowie der biogeochemischen Prozesse im Spree-Sediment während der Trockenphasen. In allen Austrocknungsintensitäten nahm die Respiration aus dem Sediment, gemessen als CO2 Emissionen, schnell ab; wobei die Ordnung Bacilli nach 90 Tagen Trockenzeit dominant wurde. Ausnahme war hier Sediment das nicht mit organischer Substanz angereichert war. Zum anderen wurde in Mikrokosmen der biogeochemische Effekte von vergangenen Austrocknungsepisoden und deren Eigenschaften während der Erweiterungsphase der IRES untersucht. Respiration im Sediment, sowie Freisetzung und Rückhalt von Nährstoffen wurden nach wieder einsetzenden des Wasserflusses gemessen. Eigenschaften wie Dauer und Intensität der Austrocknungsepisoden, sowie der Gehalt an organischer Substanz, bestimmten hier Nährstoffflüsse und Respiration; speziell in den ersten Tagen nach wiederkehren des Wasserflusses. Bei sehr intensiver und andauernden Austrocknung zeigte das Sediment ohne Anreicherung mit organischer Substanz eine verzögerte Reaktionszeit in der Respiration. Letzteren wurde die langfristige Auswirkung und mikrobielle Sukzession von IRES auf Sedimente und Böden im Einzugsgebiet Hühnerwasser in der Jahren 2008 und 2018 untersucht. Analysiert wurden die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften und Funktionen aus Sediment der wiederkehrenden Bäche und angrenzenden Uferböden in beiden Jahren. Vegetationsform und organische Substanz regulierten die mikrobielle Sukzession im Einzugsgebiet des Hühnerwassers. Die IRES bleiben auch bei nur geringem Wasserfluss eigenständige Systeme, die sich auch hinsichtlich ihrer mikrobiellen Struktur und Biogeochemie von den Böden in Gewässernähe unterscheiden. Schlussfolgernd für diese Dissertation steht, dass IRES in der temperten Klimazone dynamische Ökosysteme sind. Besonders Nass-Trocken-Zyklen und Umweltfaktoren regulieren die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften im Sediment und ihre Funktionen auf kurz- und langfristige Sicht. KW - Rivers KW - Drying KW - Biogeochemistry KW - Bacteria KW - Fungi KW - Flüsse KW - Trocknung KW - Biogeochemie KW - Bakterien KW - Pilze KW - Fluss KW - Bach KW - Bakterien KW - Pilze KW - Biogeochemie KW - Dürre KW - Klimawandel KW - Flusssediment Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63793 ER - TY - RPRT A1 - Leßmann, Dieter A1 - Grüneberg, Björn T1 - Impacts of artisanal small-scale gold mining on Hkaung Tung Hka Chaung River and recommendations for the conservation of Indawgyi Lake/Myanmar T1 - Auswirkungen des Kleinbergbaus von Gold auf den Hkaung Tung Hka Chaung-Fluss und Empfehlungen zum Schutz des Indawgyi-Sees/Myanmar N2 - Indawgyi Lake is one of the largest lakes in East Asia. Due to its habitat diversity and its great importance for international bird migration, it has the status of an UNESCO biosphere reserve. In the last decades, anthropogenic pressures on the lake due to increasing population numbers, overfishing and intensification of agriculture and forestry as well as to the impacts by artisanal small-scale gold mining in the catchment area have increased sharply. As a result of gold mining, lake inflows have very high suspended matter loads, both from the washing of gold-bearing sediments and from soil erosion as a result of the destruction of the floodplain and of the forest close to the river. The input of sediments and suspended matter from the Hkaung Tung Hka Chaung River has led to massive deposits of river sediments in the southern part of Indawgyi Lake within a few years. In the context of short-term investigations and a one-year monitoring close to the stream mouth, the extent of the suspended matter input from Hkaung Tung Hka Chaung River into Indawgyi Lake was estimated and heavy metal pollution concentrations of the suspended matter were measured as a basis for recommendations for the reduction of the pollution pressure on the lake. Sedimentation analyses showed that the river water was still very turbid even after 50 hours due to high concentrations of very small solids. In contrast, material in the size of sand grains settled completely after about ten hours. The clay fraction of the suspended matter was heavily contaminated by different heavy metals, including cadmium, copper, nickel, chromium and lead. The load of suspended matter was subject to strong fluctuations and showed no correlation with the discharge. The mean concentration of suspended matter was 9.6 g/L (as dry weight per volume of water). The daily dry matter load in Hkaung Tung Hka Chaung River varied between 2.3 and 2,900 t. The mean load was 359 t/d, with by far the largest amount being transported by the river during the rainy season during times of high discharge. That indicates that, in addition to direct inputs from mining activity, there was also suspended matter input from soil erosion and from the remobilization of river sediments. The estimates of the annual input into Indawgyi Lake came to an amount of about 133,000 t. This corresponds to a volume of the fresh matter between 0.26 and 0.4 million m³. The results show the urgent need for a control of the artisanal small-scale gold mining activities and for the building of sedimentation basins at Hkaung Tung Hka Chaung River to protect Indawgyi Lake with its highly valuable ecosystem. N2 - Der Indawgyi-See zählt zu den größten Seen Ostasiens. Aufgrund seiner Habitatvielfalt und seiner großen Bedeutung für den internationalen Vogelzug hat er den Status eines UNESCO-Biosphärenreservats. In den letzten Jahrzehnten haben anthropogene Belastungen auf den See durch ansteigende Bevölkerungszahlen, Überfischung und Intensivierung von Land- und Forstwirtschaft sowie die Folgen des Kleinbergbaus von Gold im Einzugsgebiet stark zugenommen. Durch den Goldbergbau weisen Seezuflüsse ganz erhebliche Schwebstofffrachten sowohl durch das Waschen goldhaltiger Sedimente als auch als durch Bodenerosion infolge der Zerstörung der Flussaue und von flussnahen Waldflächen auf. Der stark erhöhte Eintrag von Sedimenten und Schwebstoffen aus dem Hkaung Tung Hka Chaung-Fluss hat im Indawgyi-See innerhalb weniger Jahre zu mächtigen Ablagerungen von Flusssedimenten in den südlichen Seebereichen geführt. Im Rahmen von Kurzzeituntersuchungen sowie eines einjährigen Monitorings nahe der Mündung in den See wurden das Ausmaß der Schwebstoffeinträge aus dem Hkaung Tung Hka Chaung in den Indawgyi-See abgeschätzt sowie Daten zur Schwermetallbelastung der Schwebstoffe erhoben, um Maßnahmen zur Verminderung der Belastung für den See zu erarbeiten. Absetzversuche zeigten, dass das Flusswasser auch nach 50 Stunden noch eine starke Trübung durch fein suspendiertes Material aufwies. Material in Sandkorngröße setzte sich hingegen bereits nach etwa zehn Stunden komplett ab. Die Tonfraktion der Schwebstoffe wies eine starke Belastung durch eine Reihe von Schwermetallen auf, zu denen Cadmium, Kupfer, Nickel, Chrom und Blei gehörten. Die Schwebstoffbelastungen unterlagen starken Schwankungen und zeigten keine Korrelation mit dem Durchfluss. Für die Schwebstoff-Konzentration ergab sich ein sehr hoher Mittelwert von 9,6 g/L (als Trockengewicht pro Wasservolumen). Die Trockenmasse der täglich in den See eingetragenen Schwebstoffe schwankte zwischen 2,3 und 2.900 t. Der Mittelwert lag bei 359 t/d, wobei die weitaus größte Menge vom Fluss während der Regenzeit bei hohen Durchflüssen transportiert wurde, was anzeigt, dass es neben unmittelbaren Einträgen aus der Bergbauaktivität zu Einträgen durch Bodenerosion sowie die Remobilisierung von Flusssedimenten kam. Die Abschätzung des Jahreseintrags in den Indawgyi-See ergab rund 133.000 t. Dies entspricht einem Volumen der Frischsubstanz zwischen 0,26 und 0,4 Mio m³. Aus den Ergebnissen ließen sich dringende Empfehlungen zur Kontrolle des Goldkleinbergbaus und zum Bau von Absetzbecken am Hkaung Tung Hka Chaung-Fluss zum Schutz des Indawgyi-Sees mit seinem überaus wertvollen Ökosystem ableiten. KW - Indawgyi Lake KW - Artisanal small-scale gold mining KW - Pollution KW - Suspended matter KW - Indawgyi-See KW - Goldkleinbergbau KW - Schwebstoffe KW - Belastung KW - Indawgyi Lake KW - Goldbergbau KW - Wasserverschmutzung KW - Schwebstoff KW - Schwermetallbelastung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-56850 ER - TY - THES A1 - Dietz, Severine T1 - Geochemische Prozesse und schichtungsrelevante Stoffe in meromiktischen Seen der Lausitz T1 - Geochemical processes and density-relevant solutes in meromictic lakes of the Lusatian mining district N2 - Vor dem Hintergrund der zunehmenden Anzahl an Tagebauseen sowie den Folgen der anthropogen veränderten Klimaentwicklung und infolgedessen der Möglichkeit des Entstehens oder/und des Zusammenbrechens von Meromixis in Seen besteht die Notwendigkeit, Kenntnisse über die Dichteschichtung verursachenden chemischen Prozesse sowie die in der Wassersäule auftretenden Dichtegradienten und die Dichtebeiträge gelöster Stoffe zu gewinnen. Aus diesem Grund wurden zwei meromiktische, in der Lausitz gelegene Seen (Waldsee, Moritzteich) untersucht. Ziel war es, neben den Ursachen der Dichteschichtung die (bio)geochemischen Prozesse in der Wassersäule sowie an der Sediment-Wasser-Grenze zu untersuchen sowie Dichtegradienten und die Dichtebeiträge gelöster Stoffe im Gewässer zu quantifizieren. Hierzu wurden die Seewasser-, Sediment-, Sinkstoff- und Porenwasserbeschaffenheit chemisch analysiert sowie tiefenorientierte Messungen der Vor-Ort-Parameter in der Wassersäule durchgeführt. Die Daten waren Basis geochemischer Berechnungen, der Bestimmung dichterelevanter chemischer Prozesse und Parameter sowie der Berechnung der Dichtegradienten in der Wassersäule und der Dichtebeiträge gelöster Stoffe. Die Ergebnisse zeigten, dass in den untersuchten Braunkohletagebauseen die Meromixis auf der biogeochemischen Umsetzung des Eisens mit der Bildung eisenhydroxidischer und -hydroxosulfatischer Minerale im Mixolimnion und deren Auflösung sowie der Reduktion des Eisens(III) zu Eisen(II) im Monimolimnion beruht. Dabei war die Beschaffenheit der im Mixolimnion gebildeten Eisenverbindungen pH-abhängig. Bei pH-Werten ≤3 wurden Eisenhydroxosulfate (vermutlich Schwertmannit) und bei pH-Werten von 6 bis 7 Ferrihydrit ausgefällt. Die in den Monimolimnionsedimenten ablaufende Sulfatreduktion führte zu einem in das Sediment gerichteten Sulfat- und Eisenfluss, wobei bei einem möglichen Eisenüberschuss dieses auch ins Wasser freigesetzt und somit zu einer Erhöhung der Dichte im Monimolimnion beitragen konnte. Die im Mixolimnionsediment ablaufenden chemischen Prozesse waren vor allem vom vorliegenden geochemischen Milieu abhängig. Dabei können in Organikreichen Sedimenten sulfatreduzierende Prozesse stattfinden, wohingegen in den sauren, geringer organischen Sedimenten möglicherweise eine diagenetische Umwandlung metastabilen Schwertmannits zu stabileren Goethit vorliegt. Der chemische Dichtegradient beruhte im Wesentlichen auf Eisen(II) und dem Karbonatsystem (HCO3-+CO2), zu geringeren Anteilen auf DOC und Calcium sowie, ausschließlich im Moritzteich, auf Sulfat. Insgesamt war der in beiden Seen durch die chemischen Stoffe verursachte Dichtegradient zwischen Mixo- und Monimolimnion mit maximal rd. 1,0 g/l gering. Saisonale Veränderungen des chemischen Dichtegradienten in beiden Seen waren marginal. Somit basierten Schwankungen des Gesamtdichtegradienten in der Wassersäule vor allem auf den Änderungen der Temperatur und weniger auf den Änderungen der Konzentrationen gelöster Stoffe. N2 - The potential formation and/or collapse of meromixis in lakes due to climate change demands a better understanding of the influence of chemical processes and dissolved solutes on water density changes with depth. This need is amplified by the ever-increasing number of mining lakes with their potential for meromixis. The aim of this thesis is to investigate causes of density stratification and bio-/ geochemical processes in lakes as well as at the sediment water interface. Additionally, density gradients of solutes dissolved in lake water are quantified. Two meromictic mining lakes in the Lusatian mining district have been investigated, Waldsee and Moritzteich. The composition of the lake water, sinking particles, sediments, and pore water have been analysed chemically. Measurements of in-situ parameter changes with depth within the lake water have been performed. The collected data form the basis for geochemical analyses of the determination of (depth-relevant) chemical processes and parameters as well as for the analyses of water density gradients and the density contribution of dissolved solutes. Results show that meromixis depends in the studied mining lakes on the biogeochemical transformation of iron, on the development and dissolution of ironhydroxides and -hydroxysulfates within the mixolimnion and on the reduction of ferric iron into ferrous iron within the monimolimnion. The sulfate reduction taking place within the monimolimnion sediments leads to a sediment-oriented migration of sulfate and iron. Here, a possible iron surplus might render a dissolution of iron into the lake water, leading to an increase of the density within the monimolimnion. The chemical processes taking place within the mixolimnion sediment of the lakes mainly depend on the geochemical environment. Within sediments rich in organic components, such as those of Waldsee, sulfate reducing processes might occur. In contrast, in acidic sediments with less organic matter, such as those of Moritzteich, measurements indicate a diagenetic transformation of metastabile Schwertmannite into more stable Goethite. The chemical density gradient largely depends on iron(II) and on the carbonate system (HCO3- + CO2), to a lower degree on DOC and calcium and, in case of Moritzteich, on sulfate. In Waldsee, sulfate was not relevant for maintaining the chemical density stratification due to its nearly uniform density contribution at all depths. In conclusion, the density gradient between mixo- and monimolimnion caused by chemical solutes is rather small. For Waldsee, values lie around 0.5 g/l and for Moritzteich around 1.0 g/l. Seasonal changes of the chemical density gradient are rather small in both lakes. Thus, variations of the overall density gradient of the lake water in both lakes mainly depend on the temperature change rather than the concentration of solutes. KW - Tagebausee KW - Meromixis KW - Dichteschichtung KW - Eisenkreislauf KW - Mining lake KW - Meromixis KW - Density stratification KW - Iron cycle KW - Bergbaurestsee KW - Bergbaunachfolgelandschaft KW - Lausitz KW - Meromiktischer See KW - Umweltgeochemie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46625 ER - TY - THES A1 - Zlatanović, Sanja T1 - In-stream microbial carbon transformation under opposing stresses - drought and sediment transport T1 - Mikrobielle Kohlenstofftransformation in Fließgewässern unter Einfluss von Trockenheit und Sedimentumlagerung N2 - The mineralization of organic matter (OM) is an important ecosystem service that has come under pressure because of increased frequency of droughts and higher sediment loads in running waters. In particular, lowland streams in temperate regions may experience reinforced sediment transport through migratory ripples and changes of naturally sorted sand and gravel in streambeds towards sand-dominated, homogenized streambed structure. The impact on microbial carbon (C)-transformation from these changes was the main focus of my doctoral thesis, in particular the impact of (i) periodic mechanical disturbance associated with ripple migration (ii) streambed structure homogenization, and (iii) drought in streambeds with sorted or homogenized sediment structure. In a set of microcosms, the significance of periodic mechanical disturbances for microbial C-transformation was tested. Thereby, the quantity and quality of the OM in the sandy sediments were varied by the addition of leaves and fish feces to the OM-poor sands. The results revealed that periodic mechanical disturbances resulted in significant decrease in microbial respiration to a low and similar level regardless of OM quality contained in sand. The importance of the streambed structure (sorted vs homogenized) for C-transformation was tested using set of experimental streams. The focus was on the interaction between benthic and hyporheic microbial processes in C-transformation to better understand the consequences of streambed homogenization on microbial function. The results showed that sediment structure determines connectivity between the benthic and hyporheic zones. The lower water exchange in homogenized streambeds and thereby reduced supply of freshly produced bioavailable OM from the benthic to the hyporheic zone, curtailed microbial respiration in the latter affecting the water quality. The influence of a drought and rewetting was tested on C-transformation in streambeds with a sorted or homogenized sediment structure using experimental streams where one half of the streams were strongly shaded and the other half moderately shaded. The results showed that streambeds affected by droughts, either with sorted or homogenized sediment structure have a similar microbial activity at the first place controlled by shading, whereas microbial composition during drought and its recovery after rewetting was additionally affected by sediment structure. Overall, this doctoral thesis showed that in sediment transport– and drought-impacted streambeds (i) ripple migration results in decreased C-transformation regardless of the available quality of OM, (ii) homogenization of sorted sediment structure leads to a decrease in microbial C-transformation in the hyporheic zone, and (iii) interaction between sediment structure and shading alters microbial community composition especially critical for resistance and resilience of C-transformation during drought and rewetting. N2 - Die Mineralisierung von organischem Material (OM) ist eine wichtige Ökosystemdienstleistung, die durch die Zunahme von Trockenphasen und einem erhöhten Sandeintrag in Fließgewässern zunehmend unter Druck gerät. Insbesondere in Tieflandflüssen kann es zu verstärktem Sandtransport in wandernden Rippeln und zu Veränderungen der Sedimente kommen, von sortierten Sand- und Kiesbereichen hin zu einem von Sand dominierten, homogenisierten Flussbett. Die Auswirkungen dieser Veränderungen auf die mikrobielle Transformation von Kohlenstoff (C) bilden den Kern meiner Dissertation, insbesondere die Auswirkung (i) der periodisch, mechanischen Störung durch wandernde Sandrippel, (ii) einer Homogenisierung der Sedimentlagerung, und (iii) von Trockenphasen in Gewässern mit sortierter oder homogener Sedimentlagerung. In Mikrokosmen wurde die Bedeutung periodisch, mechanischer Störungen untersucht. Die Quantität und Qualität des OM in den sandigen Sedimenten wurde durch Zugabe von bioverfügbarem OM variiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die periodischen Sedimentverlagerungen eine erhebliche Störung für die mikrobielle C-Transformation darstellen. Die Respiration verringerte sich unabhängig von der Qualität des OM. In experimentellen Fließrinnen wurde die Bedeutung der Sedimentlagerung (sortiert und homogen) untersucht. Der Fokus lag auf der Interaktion zwischen benthischen und hyporheischen mikrobiellen Prozessen der C-Transformation. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sedimentlagerung die Konnektivität zwischen der benthischen und hyporheischen Zone bestimmt. Der niedrigere Wasseraustausch in einem homogenisierten Flussbett und die dadurch verringerte Zufuhr von bioverfügbarem OM aus der benthischen Zone, schränkten die Respiration im Hyporheal ein. Der Einfluss einer Trocken- und Wiedervernässungsphase in homogenen bzw. heterogenen Sedimentstrukturen wurde ebenfalls in Fließrinnen getestet, wobei eine Hälfte der Rinnen stark, die andere moderat beschattet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die mikrobiellen Aktivitäten in einem austrocknenden Flussbett mit homogener oder heterogener Sedimentlagerung ähnlich sind und in erster Linie durch die Beschattung reguliert werden, wobei die Sedimentstruktur die resultierende mikrobielle Zusammensetzung zusätzlich beeinflusste. Diese Arbeit konnte aufzeigen, dass in einem sandigen Flussbett unter den o.g. extremen Umwelteinflüssen (i) Rippelmigration zu einer Abnahme der C-Transformation führt, unabhängig von der verfügbaren Qualität des OM, (ii) Homogenisierung von sortierter Sedimentstruktur zu einer Abnahme der mikrobiellen C-Transformation in der hyporheischen Zone führt, und (iii) das Zusammenspiel von Sedimentlagerung und Lichtintensität zu einer Änderung führt in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, welche entscheidend für die Resistenz und Resilienz der C-Transformation während Dürre und Wiedervernässungsphasen sind. KW - Environmental stressors KW - Hyporheic zone KW - C-cycling KW - Microbial community KW - Flumes KW - Umweltstressoren KW - Hyporheische Interstitial KW - Kohlenstoffumsatz KW - Mikrobielle Gemeinschaft KW - Rinnen KW - Hyporheisches Interstitial KW - Mikrobiozönose KW - Mineralisation KW - Fließgewässer Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44896 ER - TY - THES A1 - Seidel, Michael T1 - Naturnaher Einsatz von Holz zur Entwicklung von Fließgewässern im Norddeutschen Tiefland T1 - Guidelines for the restoration of lowland streams with wood N2 - Vor dem Hintergrund der EG WRRL besteht ein großer Bedarf an effektiven Maßnahmen zur Gewässerentwicklung. Das Belassen und der Einbau von Holz haben hierfür durch die Aktivierung fließgewässertypischer Prozesse ein großes Potenzial. Ziel war es daher, Handlungsempfehlungen für das Belassen und den naturnahen Einsatz von Holz in Tieflandbächen zu entwickeln. Diese basieren auf Grundlage des aktuellen Wissensstandes und eigenen Untersuchungen zu offenen Fragen. In den eigenen Untersuchungen wurden Holz- bzw. Maßnahmenstrecken mit unveränderten bzw. holzfreien Kontrollstrecken in Tieflandbächen und –flüssen verglichen, hauptsächlich hinsichtlich ökologischer Zustandsbewertung des Makrozoobenthos und der Fische, der Gewässerstruktur und der Holzmengen bzw. der Holzdynamik. Die eigenen Untersuchungen zeigten: 1. Die Wirkungszusammenhänge zwischen Holz und Organismen des Makrozoobenthos waren auch in der Zustandsbewertung nach EG WRRL feststellbar. Holz führte unabhängig von Gewässertyp und –größe zur Verbesserung der Strukturgüte und des ökologischen Zustands beim Makrozoobenthos. Die Zustandsbewertung wurde in 45 % der untersuchten Strecken (N = 31) soweit verbessert, dass der „gute“ und sogar „sehr gute“ ökologische Zustand erreicht wurde. 2. Eingebaute Strömungslenker aus Holz können den natürlichen Eintrag nicht vollständig ersetzen. Strömungslenker erzielten nur teilweise Verbesserungen der Gewässerstruktur und des ökologischen Zustands. In den 7 untersuchten Strecken wurde die Tiefenvariabilität im Längsprofil durch die Bildung von Kolken gesteigert. Sinuosität, Querprofil, Sohlsubstrat und der ökologische Zustand des Makrozoobenthos und der Fische wurden aber nur kaum beeinflusst. 3. Der Einbau von Holz beeinflusst die Dynamik und Retention von Driftholz und führt zu einer Steigerung der Holzmenge in einer Gewässerstrecke. In einer 400 m langen Strecke eines Tieflandflusses mit Strömungslenkern aus Holz und natürlichem Holzeintrag wurde die eingebaute Holzmenge durch die zusätzliche Retention von Driftholz nach vier Jahren bereits um 60 % im Volumen und um 240 % in der Holzoberfläche erhöht. Der kontinuierliche Austrag von Holz aus der Strecke wurde durch neuen Eintrag und die Retention in der Strecke kompensiert. In den Handlungsempfehlungen für die Praxis wurde herausgearbeitet, dass die Förderung des natürlichen Holzeintrags prinzipiell Priorität gegenüber dem Einbau von Holz hat. Für drei Restriktionsgrade von gering bis hoch wurden Empfehlungen für einen möglichst naturnahen Holzeinsatz entwickelt, der zudem natürlichen Holzeintrag berücksichtigt. Grundlage der Empfehlungen sind Angaben zum Holzvolumen, dem Deckungsgrad, der Anzahl an Stämmen sowie dem Verbauungsgrad von Holzeinbauten und deren Lage zur Fließrichtung. Ergänzt werden die Angaben durch die Kategorisierung von 6 Grundtypen natürlicher Holzstrukturen. N2 - Against the background of the EU WFD there is a great need for effective river restoration measures. For this, the natural input and the installation of wood have great potential by activating typical river processes. Therefore, the aim was to develop recommendations for the preservation and close-to-nature installation of wood in lowland streams. These are based on the current state of knowledge and own investigations on open questions. In the own investigations, lowland river reaches with natural input or the installation of wood were compared with control reaches without wood, mainly with regard to ecological condition assessment of macrozoobenthos and fish, hydromorphology, and wood quantities or wood dynamics. The own investigations showed: 1. The causal relationships between wood and organisms of macrozoobenthos were also found by the assessment of ecological status according to the EU WFD. Irrespective of the type and size of the river, wood improved the structural quality and ecological status of the macrozoobenthos. The ecological status was improved in 45 % of the reaches so far that the "good" and even "very good" ecological status was achieved. 2. Built-in wooden flow deflectors can not completely replace the natural input of wood. Flow deflectors achieved only partial improvements in hydromorphology and ecological status in the seven study reaches. The depth variability in the longitudinal profile was increased by the formation of pools. However, sinuosity, cross-section, bottom substrate and ecological status of macrozoobenthos and fish were hardly improved. 3. The installation of wood influences the dynamics and retention of drift wood and leads to an increase in the amount of wood. In a 400 m reach of a lowland river with wooden flow deflectors and natural input of wood, the installed amount of wood was increased by 60 % in the volume and by 240 % in the wood surface after four years due to the additional retention of driftwood. The continuous export of wood from the reach was compensated by continuous input of wood into the reach. In the recommendations for action it was pointed out that the natural input of wood has in principle priority over the installation of wood. For three degrees of restriction from low to high, recommendations were made for the most natural installation of wood, which also takes account of natural wood input. The recommendations are based on information on the volume of wood, the cover ratio on the river bed, the number of logs, the blockage of the cross-section and its position relative to the direction of flow. The information is supplemented by the categorization of six basic types of natural wood structures. KW - Fließgewässer KW - Renaturierung KW - Totholz KW - Eigendynamische Entwicklung KW - Ökologischer Zustand KW - River KW - Woody debris KW - Flow deflector KW - Ecological status KW - Restoration KW - Fließgewässer KW - Bach KW - Renaturierung <Ökologie> KW - Totholz KW - Ökologie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44314 SN - 978-3-8440-5775-1 PB - Shaker Verlag CY - Aachen ER - TY - RPRT T1 - NITROLIMIT – Stickstofflimitation in Binnengewässern: Ist Stickstoffreduktion ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich vertretbar? Abschlussbericht des BMBF‐Verbundprojekts NITROLIMIT II N2 - NITROLIMIT hat gezeigt, dass nicht nur Phosphor (P), sondern auch Stickstoff (N) eine relevante Steuergröße des Phytoplanktons und damit des ökologischen Zustandes von Gewässern darstellt. Eine Minderung der N-konzentration lässt insbesondere für viele Flachseen und Flussseen eine Verbesserung des ökologischen Zustandes erwarten. Bedenken, wonach Maßnahmen zur Minderung der N-konzentrationen in Gewässern nicht zielführend sind, weil sie durch N2-Fixierung von Cyanobakterien ausgeglichen werden oder weil sinkende Nitratkonzentrationen die Freisetzung von P aus den Gewässersedimenten steigern, konnten für die Untersuchungsgewässer in NITROLIMIT weitgehend ausgeräumt werden. N2-fixierende Cyanobakterien (Nostocales) gelangen nicht oder nur selten zur Dominanz und ihr Beitrag zum jährlichen Eintrag von Stickstoff ist gering. Langfristig führt eine Senkung der N-Fracht jedoch zu einer Abnahme ihres Biovolumens. Nitrat beeinflusst die Bindung bzw. Freisetzung von P aus dem Sediment meist nur in geringem Maße. Hier spielen andere Prozesse (redoxunabhängige P‐Bindungsmechanismen), an denen Nitrat nicht beteiligt ist, eine größere Rolle. Auf den ökologischen Zustand von Fließgewässern wie der Elbe hätte eine N-Reduktion zunächst keinen Einfluss, da andere Faktoren die Biomasse des Phytoplanktons begrenzen. Eine Verminderung der N-Einträge in Fließgewässer ist dennoch anzustreben, um den trophischen Zustand der Küstengewässer zu verbessern. NITROLIMIT konnte zeigen: Stickstoffreduktion ist ökologisch sinnvoll. Da sich eine große Zahl von Seen in Deutschland nicht im guten ökologischen Zustand befindet, sind weitere Anstrengungen notwendig, um die Ziele der EU‐WRRL zu erreichen. Dabei sollten auch Maßnahmen zur Reduktion der N‐Einträge berücksichtigt werden. Hier schließt sich die Frage an, ob N‐Reduktion wirtschaftlich vertretbar ist. In drei Fallstudien wurden Möglichkeiten, Kosten, Nutzen und Akzeptanz von N-Reduktionsmaßnahmen analysiert. Am Beispiel der Berliner Unterhavel wurden Kosten für N‐Reduktionsmaßnahmen mit dem Nutzen in Form der Zahlungsbereitschaft von Bürgern für den guten ökologischen Zustand gegenübergestellt. Danach ist der Nutzen einer Verbesserung der Gewässergüte größer als die damit verbundenen Kosten. Auch der Wert der Gewässer für Freizeit und Erholung spricht für weitere Bemühungen. Für Gewässer in Berlin wurde belegt, dass urbane Maßnahmen zur Nährstoffreduktion Erfolge zeigen, aber häufig nicht zum Erreichen des guten ökologischen Zustandes ausreichen. Für ein ländliches Einzugsgebiet (Storkower Seenkette) wurde gezeigt, dass für die Verbesserung des ökologischen Zustandes vor allem N-Einträge aus landwirtschaftlichen Flächen reduziert werden müssen. Möglichkeiten hierzu bestehen durch eine Ausweitung der Umsetzung von Agrarumweltmaßnahmen. In Brandenburg und Berlin wurden jedoch entsprechende Fördermöglichkeiten bisher nicht ausgeschöpft. Hier gilt es daher, die Rahmenbedingungen und die Anreize zur Teilnahme zu verbessern. KW - Stickstoff KW - Stickstofflimitation KW - Gewässergüte KW - Stickstoffbelastung KW - Nährstoffretention Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43630 N1 - NITROLIMIT wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des BMBF Rahmenprogramms „Forschung für nachhaltige Entwicklungen“ (FONA) im Förderschwerpunkt „Nachhaltiges Wassermanagement“ (NaWaM) gefördert. Förderkennzeichen: 0033W015 AN – GN ER - TY - RPRT A1 - Mischke, Ute A1 - Riedmüller, Ursula A1 - Hoehn, Eberhard A1 - Nixdorf, Brigitte T1 - Handbuch Phyto-See-Index - Verfahrensbeschreibung für die Bewertung von Seen mittels Phytoplankton T1 - Method desription of the assessment of lakes and reservoirs with Phytoplankton and the Phyto-Seeindex in Germany. User handbook. N2 - Die vorliegende Verfahrensbeschreibung enthält alle Änderungen, die mit dem LAWA-Expertenkreis für Seen bis Dezember 2016 abgestimmt wurden und folgende Überarbeitungsbereiche betreffen: 1) Es erfolgte eine erhebliche Verfahrenserweiterung für Seen im Mittelgebirge sowie für künstliche und stark veränderte Seen (AWB und HMWB), worunter unter anderem die Talsperren und die Baggerseen fallen. Nach einem ersten Verfahrensentwurf (Hoehn et al. 2009) wurden die Bewertungsgrenzen sowie die Seetypologie nach den Ergebnissen eines Praxistestes der Bundesländer stark überarbeitet (Riedmüller & Hoehn 2011). 2a) Es wurden die Grenzwerte für die Kenngröße "Biomasse" an die Grenzwerte für die Trophiestufen des neuen Trophie-Index nach LAWA (2014) angepasst. 2b) Wie im Trophie-Index nach LAWA wurden alle Saisonmittel im PSI auf ein direktes Mittel aus den Termindaten umgestellt und nicht mehr wie bisher über den Umweg von Monatsmitteln. Dies betrifft auch den PTSI-Jahreswert. 3) Für die Tieflandseen wurden alle Bewertungsroutinen umfassend überarbeitet, die auf Kenngrößen der Algenklassen basieren. Dies erfolgte nach Überprüfung mit einem seit 2006 stark erweiterten Datensatz. 5) Für den Sondertyp der sauren Tagebauseen wurde ein Biodiversitäts-Index (Leßmann & Nixdorf 2009) als neue Kenngröße im Phyto-See-Index aufgenommen. 6) In dem neu entwickelten PhytoLoss-Verfahren werden automatisiert Indices für die Grazing-Effektstärke aus den gleichzeitig zum Phytoplankton ermittelten Zooplankton-Daten errechnet, wodurch eine erweiterte Interpretation des Phyto-See-Index und des Nahrungsnetzes erfolgt und Hinweise auf Handlungsoptionen für die Maßnahmenplanung gegeben werden. 7) Zur Qualitätssicherung des Untersuchungsverfahrens "Phytoplankton zur Bestimmung des Phyto-See-Index" wurde ein QS-Handbuch erarbeitet (Mischke 2015) 8) Die vormals zusammengefassten Seetypen 1, 2 und 3 der Alpen und Voralpen wurden als unabhängige Gewässertypen mit jeweils eigener Referenztrophie unterschieden (LAWA O 7.16). Es wurde eine Dokumentation erstellt, die die Gleichwertigkeit des überarbeiteten Phyto-See-Index zu den Ergebnissen der Europäischen Interkalibrierung darstellt (LAWA Projekt O 2.15; Riedmüller et al. 2016). N2 - In accordance with the European Water Framework Directive (EU-WRRL, 2000, EU 2008), the sensitivity of phytoplankton to environmental pressures of eutrophication is used to assess the ecological status of German lakes. In Germany the Phyto-See-Index (PSI) has been used since 2008. The European Commission has published the agreed classification systems of the member states – including the Phyto-See-Index - as the result of the intercalibration process in the Official Journal of the European Union (Europäische Kommission 2008, 2013). Since then, the Phyto-See-Index has been further developed (for details, see Annex III) with a considerable expansion for lakes in the German central highlands as well as for artificial and heavily modified lakes (AWB und HMWB), groups which include reservoirs and flooded quarry/gravel pits. For the special case of strongly acidic mining lakes, a biodiversity index (Leßmann & Nixdorf 2009) was adopted as a new component of the Phyto-See-Index. The Phyto-See-Index compares the current ecological status to a predetermined reference status, which is harmonised for ecoregions Europe-wide (Poikāne et al. 2010, 2014; Järvinen et al. 2013). Further required components of the Phyto-See-Index are: I) German lake sampling standard (Nixdorf et al. 2008, 2010), II) Profile documents describing German lake types and in the cover letter instructions for assigning lake types (Riedmüller et al. 2013b), III) German taxa list for phytoplankton (HTL; Mischke & Kusber Mai 2009) and IV) Assessment tool PhytoSee for the calculation of the Phyto-See-Index (Chapter 4). Please note that an update for the German coding list will be available at end of the year 2017, including currently accepted names also for indicator taxa. KW - Seenbewertung KW - Phyto-See-Index KW - Assesments of lakes KW - Phyto-See-Index KW - Gewässerüberwachung KW - Gewässergüte KW - Trophiesystem KW - Phytodiversität Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43595 N1 - Finanzierung durch das Länderfinanzierungsprogramm "Wasser,Boden und Abfall" - Projektbegleitung durch den LAWA-Expertenkreis "Biologische Bewertung Seen und Interkalibrierung nach WRRL" ER - TY - RPRT A1 - Mischke, Ute A1 - Riedmüller, Ursula A1 - Hoehn, Eberhard A1 - Nixdorf, Brigitte A1 - Deneke, Rainer A1 - Maier, Gerhard T1 - Handbuch für die Seenbewertung mittels Plankton–Phyto-See-Index (Teil A) und PhytoLoss - Modul Zooplankton (Teil B) N2 - Die vorliegende Verfahrensbeschreibung enthält alle Änderungen, die mit dem LAWA-Expertenkreis für Seen bis Februar 2015 abgestimmt wurden und folgende Überarbeitungsbereiche betreffen: 1) Es erfolgte eine erhebliche Verfahrenserweiterung für Seen im Mittelgebirge sowie für künstliche und stark veränderte Seen (AWB und HMWB), worunter unter anderem die Talsperren und die Baggerseen fallen. Nach einem ersten Verfahrensentwurf (Hoehn et al. 2009) wurden die Bewertungsgrenzen sowie die Seetypologie nach den Ergebnissen eines Praxistestes der Bundesländer stark überarbeitet (Riedmüller & Hoehn 2011). 2 a) Es wurden die Grenzwerte für die Kenngröße „Biomasse“ an die Grenzwerte für die Trophiestufen des neuen Trophie-Index nach LAWA (2013; Riedmüller et al. 2013b) angepasst. 2 b) Wie im Trophie-Index nach LAWA wurden alle Saisonmittel im PSI auf ein direktes Mittel aus den Termindaten umgestellt, und nicht mehr wie bisher über den Umweg von Monatsmitteln. Dies betrifft auch den PTSI-Jahreswert. 3) Für die Tieflandseen wurden alle Bewertungsroutinen umfassend überarbeitet, die auf Kenngrößen der Algenklassen basieren. Dies erfolgte nach Überprüfung mit einem seit 2006 stark erweiterten Datensatz. 4) Für den Sondertyp der stark sauren Tagebauseen wurde ein Biodiversitäts-Index (Leßmann & Nixdorf 2009) als neue Kenngröße im Phyto-See-Index aufgenommen. 5) In dem neu entwickelten PhytoLoss-Verfahren werden automatisiert Indices für die Grazing-Effektstärke aus den gleichzeitig zum Phytoplankton ermittelten Zooplankton-Daten errechnet, wodurch eine erweiterte Interpretation des Phyto-See-Index und des Nahrungsnetzes erfolgt, und Hinweise auf Handlungsoptionen für die Maßnahmenplanung gegeben werden. 6) Zur Qualitätssicherung des Untersuchungsverfahrens „Phytoplankton zur Bestimmung des Phyto-See-Index“ wurde ein Handbuch erarbeitet (Kapitel 8). KW - Seenbewertung KW - Gewässerüberwachung KW - Gewässergüte KW - Trophiesystem KW - Phytodiversität Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43584 UR - http://www.gewaesserfragen.de/pdfs/Handbuch%20fuer_die%20Seenbewertung_mittels_Plankton_Feb2015.pdf N1 - Finanzierung durch das Länderfinanzierungsprogramm "Wasser, Boden und Abfall". - Projektbegleitung durch den LAWA-Expertenkreis "Biologische Bewertung Seen und Interkalibrierung nach WRRL" ER - TY - THES A1 - Kolzau, Sebastian T1 - Phytoplankton nitrogen and phosphorus limitation and the N₂-fixation potential of Nostocales at varying nitrogen supplies and light intensities in lakes T1 - Stickstoff- und Phosphorlimitation des Phytoplankton und das N₂-Fixierungspotential von Nostocales bei variierenden Stickstoffverfügbarkeiten und Lichtintensitäten in Seen N2 - In order to lower the phytoplankton biomass in lakes it is theoretically most effective to reduce the nutrient that is actually limiting. However, it is widely assumed that the abundance and N₂-fixation rate of N₂-fixing cyanobacteria (Nostocales) would increase in response to reduced N loading, and thereby render efforts to improve water quality by N reduction ineffective. Nostocales N₂-fixation has a huge energy demand and consequently the light intensity may affect the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions. This led to the following aims, for which three different sets of experiments were conducted. (i) Determination of the seasonal dynamic of N- and P-limitation for four lakes of differing lake types in the German lowlands and testing the power of four N:P ratios to predict the limiting nutrient: Biweekly experiments were performed in 4 lakes differing in lake. For the shallow lakes there was a trend from P limitation in spring to N or light limitation in summer and autumn, while the deep lake remained predominantly P limited. The ability of in-lake N:P ratios to predict the relative strength of N vs. P limitation was tested using linear regression. All four N:P ratios had significant positive relationships with the response ratio to N and P additions, but the TN:TP and DIN:TP ratios performed best. Nitrogen limitation was predictable, frequent and persistent, suggesting that nitrogen reduction could play a role in water quality management. (ii) Determination of the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To achieve this, an experiment with water from an N limited lake (LAN) was conducted. While the Nostocales biovolume did not respond to varying N additions, the N₂-fixation increased in low N microcosms. To quantify the extent to which Nostocales compensated for the varying N addition rate, we calculated a compensation rate (CR). By the end of the experiment a CR of 36 % was reached. However, at biovolumes typical for summer in LAN the CR would be much lower. Therefore, in shallow polymictic lakes like LAN, reduced N loading may lower both in-lake N concentrations and biovolumes of non-fixing phytoplankton without significantly impacting Nostocales biovolume. (iii) Determination of the effect of the light intensity on the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To accomplish this aim another microcosm experiment with water from LAN was conducted. While at low and intermediate light intensities the reduction of N addition had no effect on Nostocales biovolume, at high light intensities it led to an increase. The N₂-fixation increased at all light intensities when N addition got reduced. This positive response to a reduction in N addition increased with light, showing that Nostocales may take advantage of being able to fix N₂ mainly at high light intensities. N2 - Zur Verringerung der Phytoplanktonbiomasse ist es theoretisch am effektivsten den tatsächlich limitierenden Nährstoff zu reduzieren. Allerdings wird häufig angenommen, dass die Abundanz und die N₂-Fixierung von N₂-fixierenden Cyanobakterien (Nostocales) in Folge einer Verringerung der N-Einträge zunehmen und dadurch die Bemühungen die Wasserqualität zu verbessern ineffektiv machen. Der hohe Energiebedarf der N₂-Fixierung legt nahe, dass das Licht einen Einfluss auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumen und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben hat. Dies führte zu den folgenden Zielen, für die drei Reihen von Nährstoffzugabeexperimenten durchgeführt wurden: (i) Bestimmung der saisonalen Dynamik der N- und P-Limitation in 4 Seen mit unterschiedlichen Seetypen und Prüfung der Vorhersagbarkeit des limitierenden Nährstoffes durch vier N:P-Verhätlnisse: Hierfür wurden alle zwei Wochen Bioassays in 4 Seen durchgeführt. In den polymiktischen Seen wurde ein Wechsel von P-Limitation im Frühling zu N-Limitation später im Jahr beobachtet, während der tiefe See vorwiegend durch P limitiert war. Die Möglichkeit die N und P-Limitation durch N:P-Verhältnisse in den Seen vorherzusagen wurde mit linearer Regression getestet. Alle vier N:P Verhältnisse zeigten einen signifikanten positiven Zusammenhang mit dem Reaktionsverhältnis, aber die Verhältnisse von TN:TP und DIN:TP schnitten am besten ab. N-Limitation konnte häufig und beständig nachgewiesen werden. Daher könnte die Reduktion von Stickstoff zur Verbesserung der Wasserqualität betragen. (ii) Bestimmung der Reaktion des Nostocalen Biovolumens und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben: Hierfür wurde ein Experiment mit Wasser aus dem überwiegend N-limitierten Langen See (LAN) durchgeführt. Während das Nostocale Biovolumen nicht auf eine Variierung der N-Zugabe reagierte, nahm die N₂-Fixierung bei niedriger N-Zugabe zu. Zur Quantifizierung der Kompensation durch Nostocales wurde eine Kompensationsrate (CR) berechnet. Bis zum Ende des Experimentes wurde eine CR von 36 % erreicht. Bei für den Sommer typischen Biovolumina wäre die CR allerdings wesentlich geringer. Daher könnte in polymiktischen Seen eine Verringerung der N-Einträge, sowohl die N-Konzentration, als auch das Gesamtbiovolumen des Phytoplanktons verringern, ohne das Nostocale Biovolumen zu beeinflussen. (iii) Bestimmung des Einflusses der Lichtintensität auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumens und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben: Hierfür wurde ein weiteres Experiment mit Wasser aus dem LAN durchgeführt. Während bei niedrigen und mittleren Lichtintensitäten eine Verringerung der N-Zugabe kein Effekt auf das Nostocales Biovolumen hatte, führte sie bei hohen Lichtintensitäten zu einem Anstieg des Biovolumens. Mit steigender Lichtintensität nahm der Anstieg der N₂-Fixierung in Folge der Reduktion der N-Zugabe zu. Das zeigte, dass Nostocales von ihrem Vorteil der N₂-Fixierung hauptsächlich bei hohen Lichtintensitäten profitieren. KW - N₂-fixation KW - Nostocales KW - Nitrogen limitation KW - Lake KW - Stickstofffixierung KW - Nostocales KW - Stickstofflimitation KW - See KW - Nostocales KW - See KW - Stickstofffixierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42886 ER -