Reciprocal influences of microbial community and hydrogeomorphology in sandy streambeds

Wechselwirkende Einflüsse von mikrobieller Gemeinschaft und Hydrogeomorphologie in sandigen Bachbetten

  • The main goal of this dissertation was to explore the interactions between the hydrogeomorphology of the streambed in sandy lowland low-order streams and the microbial community inhabiting it. In particular, (i) the influence of the vertical water exchange across the streambed and (ii) of the sediment transport on the function and structure of the streambed microbial community, (iii) and the potential of the microbial community to influence these physical factors were explored. The influences were studied with a model system approach (micro- and mesocosms). Firstly, I examined the significance of vertical water exchange across the streambed for the microbial community. I determined the differences in the microbial community structure and function associated with sediments of differing grain sizes. The grain sizes differed in surface-to-volume ratio and hydraulic conductivity. The results revealed vertical water exchange as the major factor for the structure and function of the microbial community. Secondly, I studied the ability ofThe main goal of this dissertation was to explore the interactions between the hydrogeomorphology of the streambed in sandy lowland low-order streams and the microbial community inhabiting it. In particular, (i) the influence of the vertical water exchange across the streambed and (ii) of the sediment transport on the function and structure of the streambed microbial community, (iii) and the potential of the microbial community to influence these physical factors were explored. The influences were studied with a model system approach (micro- and mesocosms). Firstly, I examined the significance of vertical water exchange across the streambed for the microbial community. I determined the differences in the microbial community structure and function associated with sediments of differing grain sizes. The grain sizes differed in surface-to-volume ratio and hydraulic conductivity. The results revealed vertical water exchange as the major factor for the structure and function of the microbial community. Secondly, I studied the ability of the microbial community to influence the vertical water exchange across two sandy streambeds: leveled and rippled. My results showed that the microbial community can reduce and even block the vertical water exchange by reducing pore space with gas bubbles formed due to high primary production. Thirdly, I determined the effect of short-term sediment transport events on the function of the microbial community and on the influence of the microbial community on vertical water exchange. The results show that the mechanical stress associated with short-term sediment transport events does not influence the microbial community function. However, a single short-term sediment transport event increased vertical water exchange by (i) releasing the gas bubbles produced by the microbial community and (ii) creating irregularities in the flume bed. Lastly, I ascertained the potential of benthic algal mats to transport sediment by means of buoyancy-mediated detachment from the bed. The results revealed the detachment of algal mats as a novel mechanism of sediment transport during low-flow periods. Overall, the interactions studied show that in sandy streambeds (i) the pattern of vertical water exchange is the primary physical template for the microbial community, and (ii) the activity of the microbial community and sediment transport are stochastic sources of spatiotemporal heterogeneity in vertical water exchange. These results contribute to the understanding and prediction of stream ecosystem functions in sandy streams, which is of special significance in light of the increase in fine sediment load in streams worldwide.show moreshow less
  • Das Ziel dieser Dissertation war es, die Wechselwirkungen zwischen der Hydrogeomorphologie von sandigen Bachbetten (Bäche geringerer Ordnung - nach Strahler) und der darin lebenden mikrobiellen Gemeinschaft zu untersuchen. Im Speziellen galt es dabei, (i) den Einfluss des vertikalen Wasseraustausches zwischen Porenwasser und Bachwasser, als auch (ii) den Sedimenttransport bezogen auf die Struktur und die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft zu untersuchen. Zusätzlich wurde in diesem Zusammenhang (iii) das Potential der mikrobiellen Gemeinschaft genauer betrachtet, diese physikalischen Faktoren zu beeinflussen. Diese Interaktionen wurden in Modellökosystemen analysiert (Mikro- und Mesokosmos). Als erstes habe ich geprüft, ob der vertikale Wasseraustausch zwischen Porenwasser und Bachwasser für die mikrobielle Gemeinschaft von Bedeutung ist. Die Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft wurde in Sedimenten unterschiedlicher Korngröße erfasst. Die Korngröße der Sedimente wurden so gewählt, dass sich das Verhältnis derDas Ziel dieser Dissertation war es, die Wechselwirkungen zwischen der Hydrogeomorphologie von sandigen Bachbetten (Bäche geringerer Ordnung - nach Strahler) und der darin lebenden mikrobiellen Gemeinschaft zu untersuchen. Im Speziellen galt es dabei, (i) den Einfluss des vertikalen Wasseraustausches zwischen Porenwasser und Bachwasser, als auch (ii) den Sedimenttransport bezogen auf die Struktur und die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft zu untersuchen. Zusätzlich wurde in diesem Zusammenhang (iii) das Potential der mikrobiellen Gemeinschaft genauer betrachtet, diese physikalischen Faktoren zu beeinflussen. Diese Interaktionen wurden in Modellökosystemen analysiert (Mikro- und Mesokosmos). Als erstes habe ich geprüft, ob der vertikale Wasseraustausch zwischen Porenwasser und Bachwasser für die mikrobielle Gemeinschaft von Bedeutung ist. Die Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft wurde in Sedimenten unterschiedlicher Korngröße erfasst. Die Korngröße der Sedimente wurden so gewählt, dass sich das Verhältnis der besiedelbaren Oberfläche zum Nährstofftransport im Porenvolumen unterschieden hat. Die Ergebnisse zeigen, dass der vertikale Wasseraustausch der Haupteinflussfaktor für die Struktur und die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft ist. Als zweites untersuchte ich die Fragestellung, in wie weit die mikrobielle Gemeinschaft den vertikalen Wasseraustausch sandiger Bachbette, die sich in ihrer Rauigkeit unterscheiden (eben und geriffelt), zu beeinflussen. Meine Ergebnisse zeigen, dass die mikrobielle Gemeinschaft den vertikalen Wasseraustausch einschränken und sogar blockieren kann. Der Porenraum wurde signifikant durch die Einlagerung von Gasblasen, die bei der Primärproduktion entstehen, reduziert. Als drittes untersuchte ich den Effekt von kurzzeitigen Ereignissen des Sedimenttransports auf die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft und den damit verbundenen Einfluss auf den vertikalen Wasseraustausch. Der mechanisch wirkende Stress, verursacht durch den Sedimenttransport, hatte keinen Einfluss auf die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft. Dennoch erhöht ein einmaliger, kurzzeitiger Sedimenttransport den vertikalen Wasseraustausch durch (i) herauslösen der durch die mikrobiellen Gemeinschaft produzierten Gasblasen und (ii) Schaffung von Unregelmäßigkeiten im Rinnenbett. Zuletzt ermittelte ich das Potential von auftreibenden, benthischen Algenmatten, Sediment vom Gewässerbett zu lösen und flussabwärts zu transportieren. In Fließrinnenexperimenten konnte ich zeigen, dass das Ablösen von Algenmatten ein wichtiger und bislang unberücksichtigter Mechanismus von Sedimenttransport während Perioden mit geringem Wasserabfluss darstellen kann. Zusammenfassend zeigen die betrachteten Wechselwirkungen in sandigen Bachbetten, dass (i) das Modell des vertikalen Wasseraustausches der primäre physikalische Faktor ist, der die Struktur und die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft im Bachbett prägt. Des Weiteren sind (ii) die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft sowie der Sedimenttransport stochastische Quellen raum-zeitlicher Heterogenität des vertikalen Wasseraustauschs. Vor allem im Hinblick auf die zunehmenden Ablagerung von Feinsedimenten in Bächen weltweit tragen diese Ergebnisse wesentlich zum Verständnis und der Prognose von Ökosystemfunktionen in sandigen Bachläufen bei.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Search Google Scholar Stastistics
Metadaten
Author: Clara Mendoza-Lera
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35175
Referee / Advisor:apl. Prof. Dr. Michael Mutz
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/05/27
Release Date:2015/07/02
Tag:Flachland Bäche; Hyporheische Interstitial; Rinnen; Sedimentation
Colmation/Sedimentation; Flumes; Hyporheic zone; Lowland streams
GND Keyword:Flachland; Bach; Sedimentation; Hyporheisches Interstitial
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Gewässerökologie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Gewässerschutz
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
Einverstanden ✔
Diese Webseite verwendet technisch erforderliche Session-Cookies. Durch die weitere Nutzung der Webseite stimmen Sie diesem zu. Unsere Datenschutzerklärung finden Sie hier.