Limnische Mikrobiologie

Transkript

1 Limnische Mikrobiologie Geschichtete Seen und phototrophe Bakterien Algen Cyanobakterien Anoxygene Phototrophe Heterotrophe Sulfatreduzierer Methanogene Limnische Mikrobiologie Süßwasser etwa nur 2 % des gesamten Wassers auf der Erde Seen rel. geringe Bedeutung für biogeochemische Kreisläufe große Bedeutung für terrestrisches Leben Oft geringes Alter (postglazial)

2 Limnische Mikrobiologie Geringe Größe => erhöhter Einfluß von terrestrischen Einträgen und aus dem Sediment Höhere Produktion und Sedimentakkumulation (pro Fläche und Volumen) als im Meer Klimatische Einflüsse ausgeprägt Ausbildung von Gradienten und verschiedenen Durchmischungsmustern (geschichtete Seen) Verschiedene Typen von Seen Abbildung aus:

3 Geschichtete Seen Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen Winterstagnation Winterstagnation durch Eisschicht (Dichteanomalie)

4 Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen Frührahrszirkulation Frühjahrszirkulation nach Verschwinden des Dichte-/ Temperaturgradienten Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen Sommerstagnation Sonneneinstrahlung => Lichtgradient => Temperaturgradient

5 Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen Sommerstagnation Epilimnion turbulent durchmischt (Eddy-Diffusion) Dichtegradient wirkt als Durchmischungsbremse im Metalimnion (Thermokline, 1 C m-1) zum Hypolimnion Akkumulation von POC (Detritus), P, Fe2+, NH4+ im Hypolimnion und auf dem Sediment Chemische Gradienten durch mikrobielle Aktivitäten Elektronenakzeptoren in der Reihenfolge des Redoxpotentials verbraucht Zehrung von O2 => anoxische Verhältnisse aufsteigend aus dem Sediment Gradienten von NO3-, NH4+, CH4, SO42-, H2S, Pi, Fe2+, besonders spannend an der Oxykline Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen Herbstzirkulation Herbstzirkulation nach Verschwinden der Temperaturgradienten

6 Geschichtete Seen Kennzeichen oligotropher und eutropher Seen Oligotroph Eutroph T Tiefe groß gering Epil./Hypolimnion <= 1 > 1 Primärproduktion mg C m -2 d Algenbiomasse mg C l > 0.3 µg Chl a l Gesamt-P µg l -1 < 10 > 30 O 2 T O 2 Abb. aus Hafner und Philipp, 1987 Phototrophe Bakterien

7 Oxigene phototrophe Bakterien Cyanobakterien Einzellig: Koloniebildend: Gloeothece Filamentös heterocystisch: Dermocarpa Anabena Filamentös: Abb.: Schlegel, 1992 Filamentös verzweigt: Oscillatoria Fischerella Anoxigene phototrophe Bakterien Grüne Schwefelbakterien Chlorobiaceae Phototrophe Archaea Heliobacter Schwefelpurpurbakterien Chromatiaceae Schwefelfreie Purpurbakterien Rhodospirillaceae Abb.: Schlegel, 1985

8 Lichtattenuation in Wasser Farbe λ Abs. Licht (nm) (% m -1 ) Infrarot Rot Gelb Grün Blau * Violett UV *Rückstreuung! Verteilung von Mikroorganismen in einem geschichteten See Bsp. Plußsee, Osthostein (Oktober 1964) Cyanobakterien Chlorobiaceen Abbildung aus: Rheinheimer, 1985 (verändert)

9 Umsetzung von Kohlenstoff, Schwefel Stickstoff und Eisen Umsetzungen der wichtigsten Elemente Kohlenstoff Zusammengesetzt aus: anorganisch gelöster Kohlenstoff (DIC, "dissolved inorganic carbon") (CO 2, HCO 3- und CO 3 2- / Input: Atmung, Verbrauch: Photo-/Chemosynthese) POC organisch gelöster Kohlenstoff (DOC, "dissolved organic carbon") Gemisch verschiedenster Substanzen: (AOC, von Bakterien assimilierbarer organische gebundener Kohlenstoff) schwer abbaubaren Verbindungen (Humussubstanzen, Braunfärbung) Eintrag: über Zuflüsse (Moore, Abwasser) und Exkretion, mikrobieller Abbau von POC Entzug: Aufnahme in Bakterienbiomasse.

10 Umsetzungen der wichtigsten Elemente Kohlenstoff Zusammengesetzt aus: partikulärer organisch gebundener Kohlenstoff (POC, "particulate organic carbon") tote organische Substanz (Detritus), Abbau des POC in DOC Der größte Teil der Produktion wird in der photischen Zone abgebaut, < 20% sedimentiert Je kürzer die Sedimentationsstrecke, desto mehr akkumuliert im Sediment Umsetzungen der wichtigsten Elemente Stickstoff Vorliegend als: elementarer Stickstoff (N 2 ) sowie Nitrat (NO 3- ), Nitrit (NO 2- ) und Ammonium (NH 4+ ) elementar gelöster Stickstoff hauptsächlich durch Cyanobakterien zum Aufbau von Biomasse genutzt (N 2 -Fixierung) anorganischen Stickstoffquellen für Biosynthese: NO 3-, NO 2-, NH 4+ oxischer Umsatz: Nitrifikation: Oxidation von NH 4+ zu NO 3- NO 2- nur in geringen Mengen an der Oxycline anoxischer Umsatz: Denitrifikation: Reduktion von NO 3- zu N 2 Nitrat-Ammonifikation: Reduktion von NO 3- zu NH 4+ weitere Quellen: Freisetzung aus Biomasse

11 Umsetzungen der wichtigsten Elemente Schwefel Vorliegend hauptsächlich als: Sulfat (SO 2-4 ), im Süßwasser < 1mM (marin: 28 mm) oxischer Umsatz: Sulfidoxidation: Oxidation von H 2 S mit O 2 zu SO 4 2- S oft Zwischenprodukt anoxischer Umsatz: Sulfatreduktion: Anoxygene Photosynthese: Veratmung von SO 4 2- zu H 2 S H 2 S als Elektronendonator Umsetzungen der wichtigsten Elemente Eisen oxischer Umsatz: Eisenoxidation: oxidatierte Form Fe 3+ schwer löslich Fe (OH)3, FeO(OH) Rost Fällung mit Phosphat: Fe 3+ + PO 4 3- FePO 4 anoxischer Umsatz: Eisenreduktion: Reduktion von Fe 3+ zu Fe 2+ (besser löslich, fällbar als Pyrit)

12 Bergbaurestseen Beispiel Restloch 111 Seevolumen m 3 Sulfatgehalt mg/l ph 2,5 Problem: Luftsauerstoff und sauerstoffreiches Regenwasser haben zu einer Oxidation des Pyrits im Erdreichs geführt: 2FeS 2 + 7O 2 +2H 2 O = 2Fe SO H + RL 111 Sanierungsprinzip: Umwandlung des säurebildenden Sulfats zu ausfällbarem Sulfid (Pyrit) Sanierungskonzept eines Bergbaurestsees Remediation Experimental design H + Area: 2x2m Depth: 6,4 m Enclosures sulfate + organic substrate sulfate reduction H 2 S Fe III + organic substrate H 2 S +FeII FeS, FeS 2 H + sediment iron reduction Fe II straw Variants: E1 control E2 Straw + Carbokalk (2,4 mm TOC) E3 Straw + Carbokalk (24 mm TOC) E4 Straw + Ethanol (2,4 mm TOC) Straw 35 kg each Abbildung: Ines Pöhler, 2002 (verändert)