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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-53456
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5345/


Dissolved and colloidal organic matter in a tropical lagoon-estuary system surrounded by sugar cane plantations

Gelöster und kolloidaler organischer Kohlenstoff in einem tropischen, von Zuckerrohranbau geprägten Lagunen-Ästuar-System

Brockmeyer, Berit

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SWD-Schlagwörter: Zuckerrohr , DOC , Lagune , Kolloid
Basisklassifikation: 38.32
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Emeis, Kay-Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.07.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 12.10.2011
Kurzfassung auf Englisch: Brazil is the major sugar cane producer in the world with an increasing demand of land due to the expansion of sugar cane cultivation. The impact on the environment thereby is manifold: from emissions to the atmosphere, soil erosion and impoverishment, to eutrophication and contamination of aquatic systems by the application of fertilizers and agro-toxic organic pollutants. This work was carried out in the framework of the Brazilian/ German POLCAMAR (Pollution from sugar Cane in Marine systems) project, which aimed to assess the environmental impacts of sugar cane monocultures on estuarine and coastal waters of Northeast-Brazil. In this subproject, three expeditions were conducted to the tropical Manguaba lagoon-estuary-system, whose catchment is characterised by extensive sugar cane cultivation in its hinterland. The aim of this subproject was the quantification of the sugar cane derived amount of organic matter (OM) along its way from riverine to coastal waters with particular emphasis on sources and sinks of dissolved organic matter.

Collected samples were analysed for DOC, DON, 13C and UV absorption. In addition, 13C of particulate organic carbon was determined in water, soil and terrestrial plant samples. Bulk DOM was further separated into low, high and very high molecular components using a tangential flow filtration method established and verified in this thesis. These size fractions were also determined analytically for their elemental and isotopic composition.

The enriched 13C signal in OM of all samples proves that sugar cane carbon is incorporated into the soil and water system. Soil processes, including colloid precipitation, control the size distribution of DOM in the fresh and brackish water system, whereby the LMW fraction (< 1kDa, 92%) represents almost all of the DOM pool. The very high molecular weight fraction (> 50 kDa) is not distinguishable from the particulate phase, in contrast to the low molecular weight phase. DOM fluxes into the river and lagoon originate from baseflow, field runoff and sugar cane factory effluents. On average, one third of riverine and lagoonal DOM has a sugar cane source.
During heavy rainfall a net loss of DOM from flocculation and sedimentation was observed in the transition zone from riverine to brackish waters. A net gain of DOM from addition of photolysed resuspended sedimentary OM, in turn, was observed during the dry situation (baseflow).
Substances introduced into the lagoon will remain there for several weeks. In this time, DOM can be transformed by heterotrophic bacteria and by photolytic processes. Almost all of the sugar cane derived OM is degraded within the lagoon. The residual refractory remains are mixed conservatively through the estuary into the Atlantic Ocean. A back-of-the-envelop estimation resulted in an annual export of sugar cane derived DOM of 150 t yr-1 for the Manguaba lagoon and of 1,500 - 15,000 t yr-1 for all brazilian sugar cane fields of the Atlantic coast.
Kurzfassung auf Deutsch: Brasilien ist weltweit der Hauptproduzent von Zuckerrohr mit einem steigenden Bedarf an Land für die Ausweitung des Zuckerrohranbaus. Der Einfluss auf die Umwelt ist dabei vielfältig, von den Emissionen in die Atmosphäre, Bodenerosion und Bodenverarmung, bis zu Eutrophierung und Kontamination von Gewässersystemen durch den Austrag von Düngemitteln und organischen Bioziden. Diese Arbeit wurde im Rahmen des brasilianisch/ deutschen Projektes POLCAMAR durchgeführt, welches den Einfluss der Zuckerrohr-monokultur auf Ästuar- und Küstengewässer Nordostbrasiliens untersuchte. In dem hier beschriebenen Teilprojekt wurden drei Expeditionen zum tropischen Manguaba Lagunen-Ästuar-System durchgeführt, dessen Einzugsgebiet durch ausgedehnten Zuckerrohranbau im Hinterland geprägt ist. Ziel des Teilprojektes war die Quantifizierung des organischen Materials (OM) mit Zuckerrohrursprung auf dem Weg vom Fluss zu den Küstengewässern, unter besonderer Berücksichtigung der Quellen und Senken gelöster organischer Substanz.

Proben wurden auf DOC, DON, 13C und UV-Absorption analysiert. Zusätzlich wurde 13C in partikulärem organischem Kohlenstoff in Wasser, Boden und terrestrischen Pflanzen-materialien bestimmt. Ferner wurde das DOM, mit einer in dieser Arbeit etablierten und verifizierten tangentialen Flussfiltration, in kleine, mittlere und große Molekular-gewichtsfraktionen getrennt, die ebenfalls elementar- und isotopenanalytisch bestimmt wurden.

Das in allen Proben angereicherte 13C Signal von DOM belegt, dass Zuckerrohrkohlenstoff in den Boden und das Wassersystem aufgenommen wurde. Bodenprozesse, einschließlich der Ausfällung von Kolloiden, bestimmen die Größenverteilung des DOM im Frisch- und Brack-wassersystem, wobei fast das gesamte DOM in der kleinen Molekulargewichtsfraktion (< 1 kDa, 92%) vorliegt. Die hochmolekulare Kolloidfraktion (> 50 kDa) unterscheidet sich - anders als die niedermolekulare Phase - in C/N und 13C nicht von der partikulären Phase. Einträge des DOM in Flüsse und Lagune stammen aus Grundwasser, Feldabfluss, sowie aus Einleitungen von Zuckerrohrfabriken. Durchschnittlich ein Drittel des DOM in Flüssen und Lagune hat einen Zuckerrohrursprung.
Während starker Niederschläge wurde im Übergang von Fluss- zu Brackwasser ein Nettoverlust von DOM durch Flockung und Sedimentierung beobachtet. Ein Nettogewinn hingegen wurde durch die Zugabe von photolysiertem, resuspendiertem OM aus dem Sediment in der Trockenzeit (Grundwasserabfluss) hervorgerufen.
Substanzen, die in die Lagune gelangen, verweilen hier für mehrere Wochen. Das DOM kann währenddessen bakteriell und photolytisch umgesetzt werden. Fast das gesamte zuckerrohrbürtige OM wird in der Lagune abgebaut. Der verbleibende refraktäre Anteil mischt sich konservativ durch das Ästuar in den Atlantischen Ozean. Eine grobe Abschätzung des jährlichen DOM-Exportes mit Zuckerrohrursprung ergibt 150 t pro Jahr aus der Manguaba Lagune und 1.500 - 15.000 t pro Jahr von den brasilianischen Zuckerrohrfeldern der Atlantikküste.

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Letzte Änderung: 21.11.13