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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.
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.
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 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.