Hohenheim, Univ., Diss., 2001.

Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2009

Ökosystem-Ingenieure sind Organismen, deren Auswirkung auf die Funktion von Ökosystemen im Vergleich zu ihrer Anzahl und Biomasse überproportional groß ist. Ein klassisches Beispiel für Ökosystem-Ingenieure sind grabende Organismen, deren Aktivitäten (Bioturbation) sowohl die Sedimentmatrix als auch das Porenwasser in aquatischen Sedimenten beeinflussen. Solche Tiere wirken auf eine große Anzahl von biogeochemischen Prozessen in benthischen Ökosystemen ein, unter anderem auf die aerobe Atmung (Respiration). Die Respiration aquatischer Sedimente umfasst häufig über 50 % der gesamten Respiration von aquatischen Systemen und spielt eine große Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der physikalischen Umwelt (Sedimenteigenschaften, am meistens hydraulischer Leitfähigkeit) auf die mikrobielle Respiration von Sedimenten, in denen Bioturbation durch Chironomidenlarven stattfindet. Um die Auswirkungen von Bioturbation auf Respiration zu messen und zu identifizieren, wurde eine neue Messmethode entwickelt (Kapitel 4.1). Kapitel 4.2 zeigt, dass der Einfluss von Bioturbation auf die Respiration des Sediments mit zunehmender Temperatur ansteigt. Kapitel 4.3 belegt, dass Resazurin auch für die Messung der Respiration in marinen Sedimenten geeignet ist. Kapitel 4.4 vergleicht und begutachtet die große Anzahl und Vielfalt hydrologischer, biogeochemischer und ökologischer Tracer einschließlich Resazurin. Die physikalische Umwelt (Sedimentmatrix) kontrolliert wie stark die Auswirkungen der Bioturbation auf die Respiration des Sedimentes sind. Dementsprechend liefert diese Doktorarbeit die Basis für das Verständnis der Auswirkungen benthischer Bioturbation auf Respiration und Kohlenstoffumsatz in limnischen und marinen Sedimenten. / Ecosystem engineers are organisms, whose impact on ecosystem functioning is disproportionally large compared to their abundance and biomass. A classic example of ecosystem engineers are burrowing organisms whose activities (bioturbation) affect the sediment matrix and pore solutes in aquatic sediments. Bioturbating animals are impacting on a number of biogeochemical processes in benthic ecosystems, including, among others, aerobic respiration. Respiration of aquatic sediments often comprises over 50% of the total respiration of aquatic systems, and plays a tremendous role in the global carbon cycle. The present thesis deals with the impacts of the physical environment (sediment characteristics, mainly hydraulic conductivity and grain fractions) on the (microbial) respiration of bioturbated sediments. In order to disentangle the effects of bioturbation on respiration, a novel measurement method has been developed (Chapter 4.1). Chapter 4.2 reveals that the impact of bioturbation on sediment respiration increases with increasing temperature. Chapter 4.3 shows that resazurin can also be used for the measurement of respiration in bioirrigated marine sediments. Chapter 4.4 reviews the large number and diversity of hydrological, biogeochemical and ecological tracers including resazurin. The present thesis shows that in sediments with low hydraulic conductivity (diffusion-dominated sediments) (Chapters 4.1,4.2) bioturbation is altering sediment respiration to a larger extent than in sediments with high hydraulic conductivity (advection-dominated sediment) (Chapter 4.3). The physical environment (sediment matrix) controls the intensity of the impacts of bioturbation on sediment respiration. Thus, this thesis provides a basis for understanding the impact of benthic bioturbators on respiration and carbon sequestering in freshwater and marine sediments.

Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2009

Böden sind Quelle und Senke für klimarelevante Spurengase (CO2, CH4 und N2O). Die freigesetzten Mengen sind mit denen aus Verbrennung fossiler Rohstoffe vergleichbar und können diese übersteigen, sodass Böden das Klima beeinflussen. Die wichtigsten Einflussgrößen der Bodenentgasung sind Vegetation, Bodenbearbeitung, Bodenfeuchte und Bodentemperatur. In dieser Arbeit wurden CO2-Flüsse für Acker-, Grünland- und Waldböden in Sachsen ganzjährig erfasst und eine Regionalisierung für die Landesfläche durchgeführt. Die Methodik umfasste flächendeckende Kurzeitfeldmessungen, punktuelle Langzeitfeldmessungen sowie gezielte Laborversuche. Zur Realisierung wurden robuste, transportable und präzise Kammersysteme zur manuellen und automatisierten Messung der Bodenentgasung im Freiland und Labor entwickelt. Für die Berechnung der Ökosystematmung aus den Messwerten konnte eine empirische Formel erstellt werden. Aus den Analyseergebnissen wurde raumzeitlich strukturiertes Kartenmaterial für die Ökosystematmung im Freistaat Sachsen in den verschiedenen Ökosystemen erstellt.

Humusauflagen von Waldböden speichern eine Reihe natürlicher, kosmogener und künstlicher Radionuklide. Da der Zeitpunkt des Eintrags, die Eintragsmenge sowie die Umwandlungszeitkonstante für die Mehrzahl der Radionuklide bekannt sind, gibt die Ermittlung der Tiefenverteilung und der zeitabhängigen Verlagerung von Radionukliden mittels hochauflösender Low-level-Gammaspektrometrie Aufschluss über Transferprozesse im Boden. Die Migrationseigenschaften verschiedener Elemente in der ungesättigten Bodenzone wurden mit Hilfe ihrer radioaktiven Isotope sehr spezifisch untersucht. Die Migration der Mehrzahl der eingetragenen Radionuklide findet, infolge ihrer Einbindung in Metall-Organische-Chelat-Komplexe, gekoppelt an die Umsatzprozesse der organischen Substanz und deren Tiefenverlagerung durch Mikroorganismen statt. Auf diese Weise ist der Migrationspfad von Organikmolekülen während ihres Abbau- bzw. Umwandlungsprozesses durch atmosphärisch eingetragene Radionuklide markiert. In Verbindung mit dem Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls und der Eintragsmodalitäten der Radionuklide wurden Datierungen zur Widerspiegelung der zeitlichen Abläufe von Bodenprozessen durchgeführt. Das so ermittelte Alter organischer Horizonte stellt ein Maß für die Abbaugeschwindigkeit des organischen Materials dar.

Humusauflagen von Waldböden speichern eine Reihe natürlicher, kosmogener und künstlicher Radionuklide. Da der Zeitpunkt des Eintrags, die Eintragsmenge sowie die Umwandlungszeitkonstante für die Mehrzahl der Radionuklide bekannt sind, gibt die Ermittlung der Tiefenverteilung und der zeitabhängigen Verlagerung von Radionukliden mittels hochauflösender Low-level-Gammaspektrometrie Aufschluss über Transferprozesse im Boden. Die Migrationseigenschaften verschiedener Elemente in der ungesättigten Bodenzone wurden mit Hilfe ihrer radioaktiven Isotope sehr spezifisch untersucht. Die Migration der Mehrzahl der eingetragenen Radionuklide findet, infolge ihrer Einbindung in Metall-Organische-Chelat-Komplexe, gekoppelt an die Umsatzprozesse der organischen Substanz und deren Tiefenverlagerung durch Mikroorganismen statt. Auf diese Weise ist der Migrationspfad von Organikmolekülen während ihres Abbau- bzw. Umwandlungsprozesses durch atmosphärisch eingetragene Radionuklide markiert. In Verbindung mit dem Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls und der Eintragsmodalitäten der Radionuklide wurden Datierungen zur Widerspiegelung der zeitlichen Abläufe von Bodenprozessen durchgeführt. Das so ermittelte Alter organischer Horizonte stellt ein Maß für die Abbaugeschwindigkeit des organischen Materials dar.

The influence of uranyl and sodium nitrate under aerobic and anaerobic conditions on the microbial community structure of a soil sample from the uranium mining waste pile Haberland in Germany was studied by using the 16S rRNA gene retrieval. The results demonstrate a shifting in the bacterial populations depending on the treatment, whereas the archaeal community was changed independently of the treatment. By using the nitrate reductase gene (narG) as a functional marker, it was additionally demonstrated that some of the bacteria stimulated possess the membrane-bound nitrate reductase. In addition, two Arthrobacter strains were isolated from the studied uranium mining waste pile, which tolerate relatively high concentrations of uranium and heavy metals. These strains are able to precipitate lead as lead sulphide (galena) or lead phosphate mineral phase (pyromorphite) depending on their physiological state and to accumulate uranium intracellularly. The results demonstrate a microbial community in the uranium mining waste pile Haberland, which is able to influence the fate of uranium.

The influence of uranyl and sodium nitrate under aerobic and anaerobic conditions on the microbial community structure of a soil sample from the uranium mining waste pile Haberland in Germany was studied by using the 16S rRNA gene retrieval. The results demonstrate a shifting in the bacterial populations depending on the treatment, whereas the archaeal community was changed independently of the treatment. By using the nitrate reductase gene (narG) as a functional marker, it was additionally demonstrated that some of the bacteria stimulated possess the membrane-bound nitrate reductase. In addition, two Arthrobacter strains were isolated from the studied uranium mining waste pile, which tolerate relatively high concentrations of uranium and heavy metals. These strains are able to precipitate lead as lead sulphide (galena) or lead phosphate mineral phase (pyromorphite) depending on their physiological state and to accumulate uranium intracellularly. The results demonstrate a microbial community in the uranium mining waste pile Haberland, which is able to influence the fate of uranium.

Böden sind Quelle und Senke für klimarelevante Spurengase (CO2, CH4 und N2O). Die freigesetzten Mengen sind mit denen aus Verbrennung fossiler Rohstoffe vergleichbar und können diese übersteigen, sodass Böden das Klima beeinflussen. Die wichtigsten Einflussgrößen der Bodenentgasung sind Vegetation, Bodenbearbeitung, Bodenfeuchte und Bodentemperatur. In dieser Arbeit wurden CO2-Flüsse für Acker-, Grünland- und Waldböden in Sachsen ganzjährig erfasst und eine Regionalisierung für die Landesfläche durchgeführt. Die Methodik umfasste flächendeckende Kurzeitfeldmessungen, punktuelle Langzeitfeldmessungen sowie gezielte Laborversuche. Zur Realisierung wurden robuste, transportable und präzise Kammersysteme zur manuellen und automatisierten Messung der Bodenentgasung im Freiland und Labor entwickelt. Für die Berechnung der Ökosystematmung aus den Messwerten konnte eine empirische Formel erstellt werden. Aus den Analyseergebnissen wurde raumzeitlich strukturiertes Kartenmaterial für die Ökosystematmung im Freistaat Sachsen in den verschiedenen Ökosystemen erstellt.:1 Einleitung 2 Aktueller Wissensstand 2.1 Bedeutung der Thematik 2.2 Treibhausgasemissionen 2.3 Entstehung von Treibhausgasen im Boden 2.4 Einflussgrößen auf die Bodenentgasung 2.5 Messmethoden 2.6 Methodenvergleich 3 Entwicklung von Probenahmesystemen 3.1 Manuelles System 3.2 Automatisierte Systeme 3.3 Berechnungsmethode 4 Versuchsdurchführung 4.1 Auswahl der Messstandorte 4.2 Untersuchungsgebiet 4.3 Meteorologische Daten 4.4 Experimentalarbeiten 4.5 Hochrechnung der Punktmessungen auf die Fläche 4.6 Fehlerbetrachtung 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Labormessungen in der Klimakammer 5.2 Freilandmessungen – landwirtschaftliche Flächen 2012 5.3 Dauermessung mit SEACH-FG in Hilbersdorf 5.4 Pilotmessungen auf teilversiegelten Flächen und Stadtböden 5.5 Empirische Formel zur Ermittlung der Ökosystematmung 5.6 Hochrechnung der Bodenentgasung für Sachsen 5.7 Ökosystematmung der Bodengroßlandschaften 5.8 Ökosystematmung verschiedener Höhenlagen 6 Entwurf eines Monitoringkonzepts für Sachsen 7 Ausblick 8 Zusammenfassung