?berwachung der Sauerstoffdynamiken an der Sediment-Wasser-Grenzfl?che

Nicht-invasive Messungen an bestimmten Punkten in SensorVials

In marinen ?kosystemen werden Prozesse an der Sediment-Wasser-Grenzfl?che durch eine aktive benthische Gemeinschaft beeinflusst, die in den obersten Millimetern des Sediments lebt. In Küstenzonen ist dieser benthische Bereich sehr aktiv und vielf?ltig, einschlie?lich hochproduktiver Mikroalgen, Bakterien und Protozoen, sowie kleiner Wirbelloser. Photosynthesisierende (Sauerstoff produzierende) und atmende (Sauerstoff verbrauchende) Aktivit?ten der benthischen Gemeinschaft sind Schlüsselprozesse, die wesentlich zur zeitlichen und r?umlichen Variabilit?t der Sauerstoffkonzentrationen an der Sediment-Wasser-Grenzfl?che beitragen. In dieser Studie wurden SensorVials mit integrierten Sauerstoffsensorstreifen zur Untersuchung von Sauerstoffverteilungen eingesetzt. Mit dem Sauerstoffmessger?t OXY-4 mini wurden Messungen an drei verschiedenen Positionen in der Grenzschicht durchgeführt.

Seit den 1980er Jahren ist das Einstechen von Sauerstoffmikroelektroden und Mikrooptoden, mit Spitzendurchmessern von weniger als 50 ?m, eine immer h?ufiger verwendete Methode in Labor- und Felduntersuchungen, um benthische Sauerstoffproduktion und Sauerstoffverbrauch an der Sedimentoberfl?che zu bestimmen (z. B. K?ster et al., 2008). Diese invasive Mikroprofiling-Technik kann ?nderungen in der Sauerstoffverteilung und kleinste St?rungen der Sedimentschichtung verursachen. Nicht-invasive und hochaufl?sende Sauerstoffmessverfahren bieten hier eine alternative Methode, um die r?umliche und zeitliche Variabilit?t der Sauerstoffkonzentrationen an der Sedimentoberfl?che abzusch?tzen. Der PreSens Sauerstoffsensorstreifen ist ein fluoreszenzbasierter optischer Sensor (Typ PSt3), der in die Versuchsgef??e integriert wird (Abb. 2 a). Sauerstoffmessungen k?nnen damit kontinuierliche und nicht-invasiv an verschiedenen Stellen der Probe durchgeführt werden. Adapterringe, die mit einem Loch zum Einsetzen einer optischen Polymerfaser (POF) ausgestattet sind, um damit die Sensorantwort auszulesen, werden an bestimmten Stellen des Sensorstreifens positioniert (Abb. 2b), die verschiedenen Untersuchungsbereichen der Umweltprobe entsprechen. In unserer Vorstudie wurde getestet, ob sich PreSens SensorVials mit integriertem Sensorstreifen für die nicht-invasive O₂-?berwachung an der Sediment-Wasser-Grenzfl?che von Küstensedimenten eignen. In Zeitverlaufsexperimenten wurden SensorVials zur simultanen Messung der Sauerstoffverfügbarkeit in verschiedenen Tiefenzonen der Probe eingesetzt.

Material & Methoden

Mini-Sediments?ulen von Mündungssedimenten (Rassower Strom, 54 ° 33,657' N, 13 ° 12,657' O, Wassertiefe 3,5 m) mit mikrophytobenthischer Besiedelung wurden in 20-ml-Glasbeh?lter überführt, die mit einem vertikal orientierten Sensorstreifen (L?nge 4 cm, Breite 5 mm, Abb. 2) ausgestattet waren. 10 ml sauerstoffges?ttigtes und auf 0,2 μm gefiltertes Brackwasser wurden zugegeben, bevor der Beh?lter verschlossen wurde. Drei Adapterringe (Vial-Adapter, H?he 10 mm, Lochdurchmesser für POF-Einführung ca. 3 mm) wurden mit Schrauben an verschiedenen, genau festgelegten Positionen entlang des Sensorstreifens befestigt. Drei Positionen wurden ausgew?hlt: die Sedimentoberfl?che (0 - 2 mm), eine Sedimenttiefe von ca. 1 cm und das ca. 2 cm über der Sedimentoberfl?che liegende Wasser. Fluoreszenzsignale wurden über optische Polymerfasern zu einem 4-Kanal-Sauerstoffmessger?t (OXY-4 mini) übertragen. Daten wurden alle 5 Minuten aufgezeichnet (OXY-4-v2_30FB-Software). Versuchsgef??e wurden unter hellen und dunklen Bedingungen (12 h : 12 h) bei 21 ° C inkubiert.

Zeitreihen-Experimente

Abbildung 4 zeigt deutlich die Konzentrationsschwankungen von gel?stem Sauerstoff an der Sedimentoberfl?che w?hrend der Hell- und Dunkel-Inkubation (grüne Kurve). Die oxygene photosynthetische Aktivit?t von benthischen Mikroalgen führte zu einem kontinuierlichen Anstieg des pO₂ w?hrend einer 12-stündigen Lichtperiode. Die obersten 2 mm der Sedimentoberfl?che waren am Ende der Lichtinkubation übers?ttigt. In der 12-stündigen Dunkelperiode führte die intensive aerobe Atmungsaktivit?t der benthischen Gemeinschaft innerhalb von nur etwa 1 h zu einem deutlichen Abfall der Sauerstoffs?ttigung auf Werte von weniger als 20% bzw. 40 % pO₂; danach wurden die Sauerstoffverbrauchsraten w?hrend suboxischer Inkubation drastisch reduziert. Interessant war, dass die Sauerstoffproduktionsf?higkeit von benthischen Mikroalgen, die w?hrend der Dunkelinkubation für 10 h extrem niedrigen Sauerstoffkonzentrationen (< 20 % pO₂) ausgesetzt waren, in der folgenden Lichtperiode nicht negativ beeinflusst wurde. Sedimente in einer Tiefe von 1 cm blieben w?hrend der gesamten Inkubationszeit kontinuierlich anoxisch (< 1% pO₂). Obwohl das über dem Sediment liegende Wasser nicht kontinuierlich gerührt wurde, bewirkte die Bewegung von kleinen Invertebraten an der Sediment-Wasser-Grenzfl?che, dass die Wassers?ule im Licht durchmischt wurde, wohingegen eine reduzierte Bewegungsaktivit?t im Dunkeln zu einer langsameren Abnahme der Sauerstoffkonzentrationen führte.

Validierung und zukünftige Modifikationen

Unsere vorl?ufigen Ergebnisse zeigen, dass die PreSens SensorVials in Zeitverlaufsversuchen geeignete Instrumente zur simultanen Messung von Sauerstoff in verschiedenen Zonen von Umweltproben sind. Es ist besonders vorteilhaft, dass die Sauerstoffmesspostionen entsprechend den zu untersuchenden Mikrozonen (z. B. Sediment-Wasser-Grenzfl?che) frei ausgew?hlt (positioniert) werden k?nnen. Die integrierten Sensorstreifen und Vial Adapterringe k?nnen einfach an spezielle Anforderungen von Umweltproben angepasst werden. In dieser vorl?ufigen Studie wurde die Anzahl und der minimale Abstand der Sauerstoffmesspositionen auf dem Sensorstreifen auf drei Positionen bzw. 1 cm begrenzt. Für zukünftige Untersuchungen w?ren Adapterringe kleinerer Gr??e (H?he < 10 mm) und / oder gr??ere Versuchsbeh?lter mit gr??eren Sensorstreifen wünschenswert. Darüber hinaus k?nnten Sedimentprobenahmezylinder mit integrierten Sensoren gleichzeitig als Inkubationsbeh?lter zur Online-?berwachung von zeitlichen und r?umlichen Schwankungen des Sauerstoffs unter definierten Laborbedingungen dienen.

Referenzen
K?ster, M., Wardenga, R., and Blume, M. (2008) Microscale investigations of microbial communities in coastal sediments. Mar. Ecol. 29, 89 - 105.