Bestimmung des Einflusses von Ufer-rückl?ufigem Thermokarst-Absacken in Tundra-Seen

Biologischer Sauerstoffbedarf gemessen mit dem Fibox 3 LCD trace

Die Permafrosttemperaturen in der hohen Arktis sind gestiegen, was zu einer Vertiefung der aktiven Schicht und einer Zunahme der Thermokarstaktivit?t geführt hat. Der Permafrost-Rückgang, der h?ufig direkt an Seen stattfindet, ist mit terrestrischem Eintrag in die lakustrische Umgebung verbunden. Diese Studie verwendete einen in situ Mesokosmos-Ansatz, um die potenziellen Auswirkungen des Permafrost-Abbaus auf die basalen Bestandteile des Nahrungsnetzes zu bestimmen. Unterschiedliche Mengen von Permafrost- Sedimenten wurden zu Mesokosmen hinzugefügt, die in einem ungest?rten arktischen See installiert waren, um Permafrost-Abbau sowie terrestrischen Eintrag zu imitierten. Der biologische Sauerstoffbedarf (BOD) in der pelagischen und benthischen Umgebung wurde w?chentlich w?hrend der eisfreien Saison unter Verwendung des Fibox 3 LCD trace Sauerstoffmessger?ts zusammen mit chemisch-optischen Sensoren gemessen. Die Bruttoprim?rproduktivit?t (GPP) erwies sich als die gr??te Kohlenstoffquelle für die Nahrungsnetze dieser Systeme, unabh?ngig von der Versuchsbehandlung. GPP sank bei den Experimenten mit hohem Sedimentanteil in der pelagischen Zone um bis zu 70 % im Vergleich zu den Kontrollen, die nicht behandelt wurden. Benthisches GPP ?nderte sich nicht signifikant.

Die Permafrosttemperaturen in der hohen Arktis sind gestiegen, was zu einer Vertiefung der aktiven Schicht und einer Zunahme der Thermokarstaktivit?t geführt hat. Der Permafrost-Rückgang, der h?ufig direkt an Seen stattfindet, ist mit terrestrischem Eintrag in die lakustrische Umgebung verbunden. Dieser Eintrag, der formal als Shoreline Retrogressive Thermokarst Slumping (SRTS) bezeichnet wird, wurde mit Ver?nderungen chemischer und biologischer Parameter in Seen der n?rdlichen Regionen dieser Erde, die in Permafrost eingebettet sind, in Verbindung gebracht. Eine Reihe von synoptischen Studien zu Seen im Hochland des Mackenzie-Deltas haben ergeben, dass ein Absacken in die Seen dieser Region mit einem allgemeinen Rückgang der Trübung und Wasserfarbe, Verfügbarkeit von N?hrstoffen in der Wassers?ule sowie einer Reihe von biologischen Unterschieden einhergeht, wie z. B. gr??erer Makrophytenbiomasse in den beeinflussten Seen (Abb. 2). Um das Verst?ndnis der zugrundeliegenden Mechanismen der in gest?rten Seen beobachteten Transformationen zu verbessern, führten wir ein in situ Mesokosmos-Experiment durch, bei dem Sediment unterschiedlichen Volumens zugegeben wurden. Das Experiment fand in einem ungest?rten Hochlandsee des Mackenzie Deltas statt und bestand aus zw?lf 1 Meter gro?en quadratischen Mesokosmen, die in 1 Meter Tiefe installiert waren: drei Replikate für jeweils drei Sedimentadditionsstufen plus drei Replikate einer Kontrolle, in die keine Zus?tze gegeben wurden (Abb. 1). Sedimente für die Zus?tze wurden von einem SRTS-betroffenen See etwa einen Kilometer entfernt bezogen. Die Mesokosmen wurden im Frühjahr mit Sediment versetzt und im Verlauf der eisfreien Wachstumssaison (Anfang Juni bis Mitte September) überwacht. Wir nahmen w?chentlich Proben zur Bestimmung der Wasserchemie, der Prim?r- und Bakterienproduktion, sowohl in der benthischen als auch in der pelagischen Zone, und der Struktur der Zooplanktongemeinschaft und Biomasse. Die Prim?rproduktivit?t wurde durch BOD-Messung in Licht- und Dunkelflaschen-Experimenten bestimmt. Dazu wurde ein innovatives Licht- und Dunkelflaschen-Messsystem unter Verwendung optischer Sensortechnologie entwickelt. Mit einem optischen Sensorspot, der an die Innenseite der Flaschen geklebt wurde, konnten Sauerstoffkonzentrationen in sehr niedrigen Konzentrationen in situ gemessen werden. Das faseroptische Messsystem eignete sich sehr gut zur Sauerstoffüberwachung im Feld. Unser Interesse konzentrierten sich auf die bakterielle Produktion und Prim?rproduktion sowohl in der pelagischen als auch in der benthischen Zone, da diese die basalen Komponenten des Nahrungsnetzes und die Kohlenstoffquelle für h?here trophische Ebenen darstellen. Durch den Zusatz von Permafrost-Sedimenten verusachte Ver?nderungen k?nnten aufzeigen, wie sich SRTS auf arktische Seen auswirken. Darüber hinaus k?nnte die Studie dazu beitragen, zu ermitteln, ob SRTS das Kohlenstoffbudget von Seen beeinflusst, die in Permafrost eingebettet sind, und von denen bekannt ist, dass sie eine gro?e potentielle Kohlenstoffquelle auf globaler Ebene darstellen.

BOD-Experimente

Die prim?re Produktivit?t wurde unter Verwendung von BOD-Inkubationen bewertet, wobei die Sauerstoffkonzentration von Wasserproben in Licht- und Dunkelflaschen sowohl vor als auch nach einer gegebenen Inkubationszeit gemessen wurde. W?hrend BOD-Experimente typischerweise im Labor durchgeführt werden und unter Umst?nden langwierige Techniken wie Titrationen beinhalten, mussten unsere Experimente in situ durchgeführt werden, da die experimentelle Behandlung die optischen Eigenschaften des Wassers und damit die Ergebnisse beeinflusst h?tte. Daher wurde ein Optroden-basiertes System (Fibox 3 LCD-Spur, von PreSense) verwendet, um die Sauerstoffkonzentration zu messen. Optische Sauerstoffsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Fluoreszenzl?schung, wobei der Grad der L?schung mit dem Sauerstoffpartialdruck korreliert. Das System bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber herk?mmlichen Sauerstoff-Messmethoden, vor allem auch die M?glichkeit, pr?zise Messungen niedriger Konzentrationen ohne Chemikalien und in Echtzeit durchzuführen. Das erm?glichte auch kurze Inkubationszeiten, was Bedenken hinsichtlich Gemeinschaftsverlagerungen in dem Beh?lter w?hrend der Inkubationszeit verringerte. BOD-Experimente in der pelagischen Zone wurden in Licht- und Dunkelflaschen durchgeführt, w?hrend Licht- und Dunkelr?hren mit einem Durchmesser von etwa 20 cm in der benthischen Umgebung verwendet wurden (3). Sensorspots für die Spurensauerstoffmessung wurden auf die Innenseite der Flaschen geklebt und ihre Signale mit dem Fibox 3 LCD trace ausgelesen. Die bakterielle Produktion wurde mit radioaktiv markiertem Leucin bewertet.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Prim?rproduktion in der pelagischen Zone die Hauptquelle für Kohlenstoff in diesen Systemen ist, und unabh?ngig von der Sedimentbehandlung die bakterielle Produktion um zwei Gr??enordnungen übersteigt. Die Sedimentbehandlung hatte eine Abnahme der Bruttoprim?rproduktion in der pelagischen Zone zur Folge, w?hrend im Benthos keine signifikanten Unterschiede festzustellen waren. Die bakterielle Produktion nahm in der pelagischen Zone ab, stieg aber im Benthos um bis zu 500 % an. Die Analyse der Zooplankton-Daten ergab, dass der Rückgang der pelagischen Prim?rproduktion auf den erh?hten Weidedruck durch Cladocera zurückzuführen war, der ebenfalls mit Sedimentbehandlung zunahm.

Zusammenfassung

Die Bestimmung der Prim?rproduktivit?t durch Messung des BOD mit dem Fibox 3 LCD trace erm?glichte eine in situ Analyse und somit garantiert realistische Bedingungen. Die optische Sensortechnologie erwies sich als ein ideales Werkzeug für diese Experimente, und lieferte korrekte Messungen bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Thermokarst-Absacken zumindest im Anfangsstadium eines Einbruchs eine Bereicherung darstellt. W?hrend sich viele der Studien bisher auf die physio-chemischen Umwandlungen in beeinflussten und unbeeinflussten Seen konzentriert haben, legt diese Studie nahe, dass trophische Wechselwirkungen wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei den Kontrasten spielen, die zwischen Seetypen beobachtet werden. Unsere Ergebnisse deuten jedoch nicht darauf hin, dass sich der Status dieser Seen als CO₂-Quellen infolge des erh?hten Thermokarst-Absackens ver?ndern wird. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass das Experiment nur die Anfangsstadien des Transformationsprozesses abbildet. Langfristige Experimente sind geplant, um diese Fragen besser zu beantworten.