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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-63312
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6331/


In-situ Studies of Microbial CH4 Oxidation Efficiency in Arctic Wetland Soils – Application of Stable Carbon Isotopes

In-situ Studien zur mikrobiellen CH4 -Oxidationseffizienz in arktischen Feuchtgebieten - Anwendung von stabilen Kohlenstoffisotopen

Preuss, Inken-Marie

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Methanumsatz , Methanoxidation, Stabile Isotopen, Diffusion , Fraktionierungsfaktor
Freie Schlagwörter (Englisch): methane turnover , diffusion , polygonal tundra , fractionation factor , permafrost
Basisklassifikation: 38.69
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva-Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.07.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 14.08.2013
Kurzfassung auf Englisch: Arctic wetland soils are significant sources of the climate-relevant trace gas methane (CH4). The observed accelerated warming of the Arctic is expected to cause deeper permafrost thawing followed by increased carbon mineralization and CH4 formation in water-saturated permafrost-affected tundra soils thus creating a positive feedback to climate change. Aerobic CH4 oxidation is regarded as the key process reducing CH4 emissions from wetlands, but quantification of turnover rates has remained difficult so far.

This study improved the in-situ quantification of microbial CH4 oxidation efficiency in arctic wetland soils in Russia’s Lena River Delta based on stable isotope signatures of CH4. In addition to the common practice of determining the stable isotope fractionation during oxidation, additionally the fractionation effect of diffusion, an important gas transport mechanism in tundra soils, was investigated for both saturated and unsaturated conditions. The isotopic fractionation factors αox and αdiff were used to calculate the CH4 oxidation efficiency from the CH4 stable isotope signatures of wet polygonal tundra soils of different hydrology. Further, the method was used to study the short-term effects of temperature increase with a climate manipulation experiment.

For the first time, the stable isotope fractionation of CH4 diffusion through water-saturated soils was determined with αdiff = 1.001 ± 0.0002 (n = 3). CH4 stable isotope fractionation during diffusion through air-filled pores of the investigated polygonal tundra soils was αdiff = 1.013 ± 0.003 (n = 18). For the studied sites the fractionation factor for diffusion under saturated conditions αdiff = 1.001 seems to be of utmost importance for the quantification of the CH4 oxidation efficiency, since most of the CH4 is oxidized in the saturated part at the aerobic-anaerobic interface. Furthermore, it was found that αox differs widely between sites and horizons (mean αox = 1.018 ± 0.009) and needs to be determined on a case by case basis. The impact of both fractionation factors on the quantification of CH4 oxidation was analyzed by considering both the diffusivity under saturated and unsaturated conditions and potential oxidation rates.

The predominant water table determines the magnitude of CH4 oxidation efficiencies in arctic wetland soils: submerged organic-matter-rich soils indicated CH4 oxidation efficiencies of 10 to 70 %, while polygon centers and rims with an aerobic surface layer showed capacity of complete oxidation. Temperature increase might affect CH4 oxidation efficiencies of saturated sites in the long term, however short-time effects were not observed.

The improved in-situ quantification of CH4 oxidation in wetlands enables a better assessment of current and potential CH4 sources and sinks in permafrost-affected ecosystems and their potential strengths in response to global warming.
Kurzfassung auf Deutsch: Arktische Feuchtgebiete sind signifikante Quellen des klimarelevanten Spurengases Methan (CH4). Die beobachtete Erwärmung der Arktis bewirkt ein tieferes Auftauen des Permafrosts, durch welches eine erhöhte Kohlenstoffmineralisierung und CH4-Bildung in durch Permafrost geprägten, wassergesättigten Tundraböden begünstigt wird und somit eine positive Rückkopplung auf den Klimawandel darstellen könnte. Aerobe CH4-Oxidation wird als entscheidender Prozess angesehen, CH4-Emissionen aus Feuchtgebieten zu reduzieren, jedoch ist eine Quantifizierung der Umsatzraten hier bisher schwierig.

Diese Studie verbessert die in-situ Quantifizierung der mikrobiellen CH4-Oxidationseffizienz in arktischen Feuchtgebieten des russischen Lenadeltas basierend auf den stabilen Isotopensignaturen von CH4. Zusätzlich zur üblichen Bestimmung der Fraktionierung durch Oxidation wurde die Fraktionierung während der Diffusion – dem wesentlichen Gastransportmechanismus in Tundraböden – unter sowohl gesättigten als auch ungesättigten Bedingungen untersucht. Die Fraktionierungsfaktoren αox und αdiff wurden genutzt, um die CH4-Oxidationseffizienz anhand der stabilen CH4-Isotopensignaturen in Tundraböden mit unterschiedlicher Hydrologie zu berechnen. Desweiteren wurde die Methode angewandt, um den kurzfristigen Effekt einer Temperaturerhöhung in einem Klimamanipulationsexperiment zu untersuchen.

Zum ersten Mal wurde die stabile Isotopenfraktionierung für CH4-Diffusion durch wassergesättigte Böden bestimmt mit αdiff = 1.001 ± 0.0002 (n = 3). Die Diffusion von CH4 durch luftgefüllte Poren in den untersuchten polygonalen Tundraböden führte zu einer C-Isotopen-fraktionierung von αdiff = 1.013 ± 0.003 (n = 18). In den untersuchten Böden scheint der Fraktionierungsfaktor für wassergesättigte Bedingungen αdiff = 1.001 von besonderer Bedeutung für die Quantifizierung der CH4-Oxidationseffizienz zu sein, da der größte Teil des CH4 im wassergesättigten Bereich an der aeroben-anaeroben Grenzschicht oxidiert wird. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass αox sich stark zwischen den Standorten und Horizonten unterscheidet (Mittelwert αox = 1.018 ± 0.009) und somit von Fall zu Fall bestimmt werden muss. Der Einfluss von beiden Fraktionierungsfaktoren auf die Quantifizierung der CH4-Oxidation wurde analysiert unter Berücksichtigung der Diffusivität unter gesättigten und ungesättigten Bedingungen und der potentiellen Oxidationsraten.

Der vorherrschende Wasserspiegel bestimmt das Ausmaß der CH4-Oxidation in arktischen Feuchtgebieten: wassergesättigte, organikreiche Böden wiesen eine Oxidationseffizienz von 10 bis 70 % auf, während Polygonzentren und -wälle mit einem aeroben Bereich im Oberboden Kapazitäten zur vollständigen Oxidation zeigten. Eine Temperaturzunahme könnte die CH4-Oxidationseffizienz von wassergesättigten Standorten längerfristig erhöhen, jedoch wurden keine kurzfristigen Effekte beobachtet.

Die verbesserte in-situ Quantifizierung der CH4-Oxidation in Feuchtgebieten ermöglicht eine bessere Abschätzung der gegenwärtigen und zukünftigen CH4 Quellen und Senken in durch Permafrost geprägten Ökosystemen und ihre potentielle Ausprägung im Zuge des Klimawandels.

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