O₂-, pH- und CO₂-Dynamik in Salzmarsch-Gezeitentümpeln

Untersuchungen bei verschiedenen Lichtbedingungen mit optischen Profiling Mikrosensoren und einem automatischen Mikromanipulator

Salzmarsch-Tümpel sind extreme Umgebungen, die durch eine hohe mikrobielle Aktivit?t und starke biogeochemische Gradienten an der Sediment-Wasser-Grenzfl?che gekennzeichnet sind. In dieser Studie untersuchten wir die O₂-, pH- und CO₂-Dynamik in der oberen Sedimentschicht von Marsch-Tümpeln bei verschiedenen Lichtverh?ltnissen. Unter Verwendung des automatisierten Mikroprofilingsystems von PreSens (Automated Micromanipulator AM & Profiling Microsensor PM) wurde O₂-, pH- und CO₂-Profiling in Sedimentkernen aus Marsch-Tümpeln in einer Wachstumskammer unter Belichtung von 0 bis 350 Photonen m^-2 s^-1 durchgeführt. Die Sauerstoffeindringtiefe stieg von 1 mm im Dunkeln auf 2 bis 6 mm bei Licht. An der Sediment-Wasser-Grenzfl?che führte photosynthetische Aktivit?t durch benthische Mikroalgen und andere photoautotrophe Organismen zu übers?ttigten Sauerstoffbedingungen (400 - 700 μM) bei Licht. Im Gegensatz dazu wurden pH und CO₂ an der Sedimentoberfl?che durch die unterschiedlichen Lichtbedingungen und hohe photosynthetische Aktivit?t nicht beeinflusst, was auf eine hohe Pufferkapazit?t des Tümpelwassers und Sediments schlie?en l?sst.

Salzmarsche sind wichtige Lebensr?ume, die die ?bergangszone zwischen Land und Meer bilden. Sie bieten eine breite Palette von ?kosystemleistungen wie Küstenschutz bei Sturmfluten oder Meeresspiegelanstieg, sowie N?hrstoffrückhaltung und Kohlenstoffsequestrierung. Die Oberfl?che des Salzmarsches ist mit Gr?sern besiedelt, die an h?ufige Gezeitenüberflutungen angepasst und tolerant gegenüber unterschiedlichen Salzkonzentrationen sind. Flache Marsch-Tümpel sind ein besonderes Merkmal von Salzmarschlandschaften (Abb. 1). Die Teiche werden durch Erosion, in der Regel nach dem Absterben der Vegetation, oder durch Eiserosion erzeugt und hinterlassen ein permanentes Wasserbecken auf der Marschoberfl?che. Die Gr??e variiert, aber in der Regel sind die Tümpel 5 - 10 m im Durchmesser und 20 - 50 cm tief. Marsch-Tümpel dienen als Zuflucht, Schutz und Laichgebiet für eine gro?e Vielfalt an Fischen und Schalentieren. Es wird erwartet, dass als Reaktion auf den Anstieg des Meeresspiegels und vermehrte Sturmereignisse, die Fl?chenabdeckung von Teichen in Tidensümpfen zunimmt, was die F?higkeit der Sümpfe, Kohlenstoff und N?hrstoffe zu speichern, ver?ndern kann. Bislang wurden Salzwassertümpel in ?kosystemstudien im Salzmarsch oft übersehen, doch in jüngster Zeit haben sie als Reaktion auf die Ausweitung ihrer Fl?chendeckung verst?rkt Aufmerksamkeit auf sich gezogen. In Tidesümpfen werden die Tümpel h?ufig überflutet (im Sumpf bei Ebbe, im Hochsumpf ein- oder zweimal im Monat). Fast das ganze Jahr über stagniert das Wasser und es bilden sich biogeochemische Gradienten in der Sediment- und Wassers?ule. Der Boden der Marsch-Tümpel wird von unbewachsenen schlammigen Sedimenten dominiert, meist mit einer dicken mikrobiellen Matte, die aus einem vielf?ltigen Konsortium von Mikroorganismen besteht, einschlie?lich grüner Schichten benthischer Mikroalgen. In diesen Studien wird auch eine rosafarbene Schicht, die aus einem Konsortium von Bakterien besteht, die den Schwefelzyklus nutzen, gezeigt (Abb. 2). Die Marsch-Tümpel sind eine extreme Umgebung, die vollst?ndig dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, wodurch die Lichtverh?ltnisse und die Temperatur im Teich w?hrend des Tages stark variieren. Au?erdem kann der Salzgehalt aufgrund der Verdunstung über den Gehalt des Ozeans hinaus zunehmen. Die photosynthetische Aktivit?t von benthischen Mikroalgen und anderen photoautotrophen Organismen sowie die Atmung der mikrobiellen Matte ist verantwortlich für ausgepr?gte r?umlich-zeitliche Ver?nderungen von O₂, pH und CO₂ im Laufe des Tages. Die t?gliche Variation in diesen Teichen muss jedoch noch charakterisiert werden. In dieser Studie untersuchten wir die r?umliche Dynamik von O₂, pH und CO₂ an der Sediment-Wasser-Grenzfl?che unter Verwendung einer Mikrooptoden-Profilingausrüstung von PreSens. Ziel der Studie war es aufzukl?ren, wie benthische mikrobielle Aktivit?t kleine vertikale biogeochemische Gradienten unter verschiedenen Lichtbedingungen beeinflusst.

Material & Methoden

Mit dem optischen Mikroprofiling-System von PreSens (Automated Micromanipulator AM und Profiling Microsensors PM) wurde die r?umliche Sauerstoff-, pH- und CO₂-Dynamik unter verschiedenen Lichtbedingungen untersucht: 0, 25, 150 und 350 Photonen m^-2s^-1 photosynthetisch aktive Strahlung (PAR ). Sedimentkerne (? 7 cm) wurden in einem Marsch-Tümpel im Salzmarsch der Plum Island Estuary, Nord-Massachusetts, USA, gesammelt. Das Mikroprofiling wurde in einer Wachstumskammer bei einer konstanten Temperatur von 20 °C durchgeführt (Abb. 3). Vertikale Profile wurden von 1 cm oberhalb bis 1 cm unterhalb der Sedimentoberfl?che mit einer r?umlichen Aufl?sung von 150 - 500 ?m pro Schritt gemessen. Sauerstoff- und pH-Profile wurden in 3 Replikatkernen gemessen, w?hrend in zwei ausgew?hlten Kernen CO₂-Konzentrationsprofile ermittelt wurden. Die Position der Sedimentoberfl?che wurde durch visuelle Inspektion bestimmt. Das darüberliegende Wasser wurde gerührt, indem wir Luft über die Wasseroberfl?che str?men lie?en.

Mikroprofiling-Ergebnisse

Der Profiling O₂ Microsensor erlaubte detaillierte Einblicke in die Sauerstoffdynamik am Boden der Gezeiten-Tümpel, die sich bei wechselnden Lichtverh?ltnissen als sehr variabel erwies (Abb. 4). In Dunkelheit und bei sehr schlechten Lichtverh?ltnissen (25 PAR) wurde das Sediment innerhalb des ersten Millimeters anoxisch. Bei Licht (150 und 350 PAR) zeigte sich jedoch die photosynthetische Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft deutlich in den Sauerstoffprofilen, die eine Sauerstoffkonzentration an der Sedimentoberfl?che von 400 bis 700 ?M erreichten, was 2 bis 3 mal h?her ist als die atmosph?rische Sauerstoffs?ttigung (230 ?M O₂ bei 20 °C und Sal. 35 PSU). Die h?chste Sauerstoffkonzentration an der Sedimentoberfl?che variierte nicht zwischen 150 und 350 PAR, was darauf hindeutet, dass die Photosyntheseaktivit?t der mikrobiellen Gemeinschaft bei sehr niedrigen Lichtintensit?ten lichtges?ttigt wurde. Die photosynthetische Aktivit?t hatte einen deutlichen Einfluss auf die Sauerstoffeindringtiefe im Sediment, die von ca. 1 mm im Dunkeln auf 2 - 6 mm bei 150 PAR zunahm.