Geschichtete Seen und phototrophe Bakterien

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Limnische Mikrobiologie

Geschichtete Seen und phototrophe Bakterien

Algen

Anoxygene Phototrophe Cyanobakterien

Heterotrophe

Sulfatreduzierer Methanogene

VL Mikrobielle Ökologie: Standorte und Prozesse, 02.12.2003

Limnische Mikrobiologie

Seen rel. geringe Bedeutung für biogeochemische Kreisläufe

Oft geringes Alter (postglazial)

große Bedeutung für terrestrisches Leben

Süßwasser etwa nur 2 % des gesamten Wassers auf der Erde

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Limnische Mikrobiologie

Ausbildung von Gradienten und verschiedenen Durchmischungsmustern (geschichtete Seen)

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

Abbildung aus: www.waterquality.de

Verschiedene Typen von Seen

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Geschichtete Seen

Winterstagnation

Winterstagnation durch Eisschicht (Dichteanomalie)

Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen

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Frührahrszirkulation

Frühjahrszirkulation nach Verschwinden des Dichte-/

Temperaturgradienten Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen

Sommerstagnation

Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen

Sonneneinstrahlung =>

Lichtgradient =>

Temperaturgradient

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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

Sommerstagnation

Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen

Herbstzirkulation

Herbstzirkulation nach Verschwinden der Temperaturgradienten

Physiko-chemischer Aufbau geschichteter Seen

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Geschichtete Seen

Kennzeichen

oligotropher und eutropher Seen

Abb. aus Hafner und Philipp, 1987

Eutroph

O

₂

T Oligotroph

O

₂

T

Tiefe groß gering

Epil./Hypolimnion <= 1 > 1

Primärproduktion

mg C m

^-2

d

^-1

50 - 300

≈ 1000

Algenbiomasse

mg C l

^-1

0.02 - 0.1 > 0.3

µg Chl a l

^-1

0.3 - 3 10 - 500

Gesamt-P

µg l

^-1

< 10 > 30

Phototrophe Bakterien

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Oxigene phototrophe Bakterien Cyanobakterien

Abb.: Schlegel, 1992

Einzellig:

Gloeothece Koloniebildend:

Dermocarpa

Filamentös:

Oscillatoria

Filamentös heterocystisch:

Anabena Filamentös verzweigt:

Fischerella

Anoxigene phototrophe Bakterien

Schwefelfreie Purpurbakterien Rhodospirillaceae

Grüne Schwefelbakterien Chlorobiaceae

Phototrophe Archaea Heliobacter

Schwefelpurpurbakterien Chromatiaceae

Abb.: Schlegel, 1985

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Farbe

λλλλ

Abs. Licht (nm) (% m

^-1

) Infrarot 800 85 Rot 720 65

Gelb 565 4

Grün 504 1

Blau 473 0.5*

Violett 408 1 UV 365 4

*Rückstreuung !

Lichtattenuation in Wasser

Verteilung von Mikroorganismen in einem geschichteten See

Bsp. Plußsee, Osthostein (Oktober 1964)

Abbildung aus: Rheinheimer, 1985 (verändert)

Chlorobiaceen

Cyanobakterien

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Umsetzung von

Kohlenstoff, Schwefel Stickstoff und Eisen

Umsetzungen der wichtigsten Elemente

anorganisch gelöster Kohlenstoff (DIC, "dissolved inorganic carbon")

(CO₂, HCO^3-und CO₃^2- / 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.

Kohlenstoff

Zusammengesetzt aus:

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Umsetzungen der wichtigsten Elemente

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 Kohlenstoff

Zusammengesetzt aus:

Umsetzungen der wichtigsten Elemente

oxischer Umsatz:

Nitrifikation: Oxidation von NH

⁴⁺

zu NO

^3-

NO

^2-

nur in geringen Mengen an der Oxycline 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⁺

anoxischer Umsatz:

Denitrifikation: Reduktion von NO

^3-

zu N

₂

Nitrat-Ammonifikation: Reduktion von NO

^3-

zu NH

⁴⁺

weitere Quellen: Freisetzung aus Biomasse

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Umsetzungen der wichtigsten Elemente

oxischer Umsatz:

Sulfidoxidation: Oxidation von H

₂

S mit O

₂

zu SO

₄^2-

S oft Zwischenprodukt

Schwefel

Vorliegend hauptsächlich als:

Sulfat (SO

₄^2-

), im Süßwasser < 1mM (marin: 28 mM)

anoxischer Umsatz:

Sulfatreduktion: Veratmung von SO

₄^2-

zu H

₂

S Anoxygene

Photosynthese: 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)

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Bergbaurestseen

Sanierungsprinzip:

Umwandlung des säurebildenden Sulfats zu ausfällbarem Sulfid (Pyrit)

Beispiel Restloch 111

Seevolumen 500.000 m³ Sulfatgehalt 1.200 mg/L pH 2,5

RL 111

Problem:

Luftsauerstoff und sauerstoffreiches Regenwasser haben zu einer Oxidation des Pyrits im Erdreichs geführt:

2FeS

₂

+ 7O

₂

+2H

₂

O = 2Fe

²⁺

+ 4SO

₄^2-

+ 4H

⁺

Fe III + organic substrate

iron reduction Fe II H⁺

Remediation

sulfate + organic substrate

H₂S H⁺

sulfate reduction

H₂S +FeII FeS, FeS₂

sediment

Sanierungskonzept eines Bergbaurestsees

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)

Experimental design Enclosures

Area: 2x2m

Depth: 6,4 m

straw