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In-stream microbial carbon transformation under opposing stresses - drought and sediment transport

Mikrobielle Kohlenstofftransformation in Fließgewässern unter Einfluss von Trockenheit und Sedimentumlagerung

  • 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 revealedThe 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.show moreshow less
  • 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 dieDie 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sanja Zlatanović
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44896
Referee / Advisor:Prof. Dr. Michael Mutz
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Date of final exam:2018/02/12
Release Date:2018/05/29
Tag:Hyporheische Interstitial; Kohlenstoffumsatz; Mikrobielle Gemeinschaft; Rinnen; Umweltstressoren
C-cycling; Environmental stressors; Flumes; Hyporheic zone; Microbial community
GND Keyword:Hyporheisches Interstitial; Mikrobiozönose; Mineralisation; Fließgewässer
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Gewässerökologie
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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