Organisches Material im anoxischen Milieu: Energie entschlüsselt Komplexität

Description: Binnengewässer sind wichtiger Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufs, da sie der terrestrischen Biosphäre entstammende Biomasse (organisches Material, OM) aufnehmen und umsetzen. Gelöstes OM beeinflusst Farbe und Zustand der Gewässer und subventioniert als Energieträger das aquatische Nahrungsnetz. Der Umsatz des OM wird von dessen oxidativer Mineralisation getrieben, daher wird die Sauerstoffverfügbarkeit als kritischer Einflussfaktor gesehen. Jedoch findet auch in sauerstofffreien, anoxischen Zonen rege Produktion, Mineralisation und Transformation von OM statt. Die chemische Zusammensetzung des OM wird in anoxischen Zonen auf spezifischen Reaktionspfaden transformiert. Zu diesen Pfaden gehört (1.) der bevorzugte Abbau von energiereichen OM-Fraktionen, (2.) die Anreicherung von mikrobiellem OM, sowie (3.) der Einbau von anaerob entstandenem Wasserstoff in OM. Anoxische Zonen sind in kontinentalen und marinen Gewässern bereits heute weit verbreitet. Ihre weitere Ausdehnung ist vorhergesagt. Trotzdem ist unklar, unter welchen Bedingungen die anoxischen Reaktionspfade aktiviert werden und wie sie gemeinsam den Kohlenstoffkreislauf und aquatische Ökosystemfunktionen beeinflussen. Ziel dieses Projekts ist es daher, das Zusammenspiel anoxisch ablaufender OM Transformationen aufzuklären. Zu diesem Zweck entwickeln wir eine OM Charakterisierung basierend auf der (Gibbs-) Energie seiner molekularen Bestandteile. Die Energieeigenschaften des OM dienen als Bezugssystem, mit dem sich aktive Reaktionspfade einschließlich ihre spezifischen Einflussfaktoren unterscheiden lassen. Auf Grundlage dieses Bezugssystems können wir die orts- und substratspezifischen Faktoren identifizieren, die mit der molekulare OM Zusammensetzung variieren. Entlang aquatischer Netzwerke werden wir dann analysieren, wie anoxische Zonen einen spezifischen Fingerabdruck im OM formen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden eine neuartige, energiezentrierte Charakterisierung von organischem Material begründen. Damit können wir langfristig unser Verständnis des Umweltverhaltens von OM, insbesondere unter anoxischen Bedingungen, verbessern.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Recycling ? Lack ? Wasserstoff ? Binnengewässer ? Energieträger ? Getriebe ? Hydrogeologie ? Organisches Material ? Globale Erwärmung ? Chemische Zusammensetzung ? Gewässerzustand ? Hydrochemie ? Kohlenstoffkreislauf ? Limnologie ? Siedlungswasserwirtschaft ? Meeresgewässer ? Terrestrische Biosphäre ? Biomasse ? Hydrologie ? Ökosystemfunktion ? Umweltverhalten ? Integrated Water Resources Management ? Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ? Urban Water Management ? Water Chemistry ?

Region: Nordrhein-Westfalen Saxony

Bounding boxes: 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895° 13.25° .. 13.25° x 51° .. 51°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Analytik (Projektverantwortung)
• Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Mineralogie, Juniorprofessur für Biogeochemie (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Université de Montréal, Département de Sciences biologiques GRIL (Mitwirkung)
• Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Landschaftsökologie (Projektverantwortung)

Time ranges: 2022-01-01 - 2025-10-02

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Energy resolves Organic Carbon Complexity in anoxic waters
  Description: Inland waters are an important component of the global carbon cycle because they transport and process large amounts of organic matter (OM) which they receive from the terrestrial biosphere. Dissolved OM affects the color and health of these waters, and supplies the aquatic food web with external energy. The fate of OM largely depends on its reactivity in these waters: Because oxidation and mineralization to CO2 is the ultimate OM sink process, the conventional paradigm considers oxygen availability as a critical control on OM reactivity and turnover. However, there is very active production, processing and transformation of OM also in anoxic (oxygen-deprived) waters. A range of pathways on which the chemical structure and composition of OM is transformed are exclusive to anoxia, including (1.) the preferential degradation of energy-rich OM fractions, (2.) disrupted recycling of microbial OM, and (3.) reaction with hydrogen (H2) from anaerobes. Currently, it is unclear under which conditions these pathways occur, if multiple pathways interact and how they affect the ultimate fate of carbon in inland waters. This lack of understanding persists, despite anoxic conditions are widespread in the freshwater corridor, and global warming and eutrophication have been predicted to further increase anoxia duration and range. The central aim of this project is thus to classify the ecological and biogeochemical drivers that transform DOM in anoxic environments. To this end, we develop a novel framework based on mechanistically meaningful, compound-level free energy (?G) characteristics of OM using large compound databases. We use this energy-based framework first to conceptualize distinct anoxic transformation pathways in isolation, and later to trace multiple pathways in complex environmental samples. This builds the foundation to find the locale- and substrate-specific factors (e.g., availability of energy, timescales of anoxia) that vary with OM compositional changes observed in anoxia. Finally, large environmental datasets will be analyzed to assess the landscape-level imprint that anoxia leaves in OM during its passage of the soil-to-ocean continuum. The outcome of this project will pave the way for a novel energy-centric perspective of OM cycling in aquatic systems, allowing for a more accurate analysis of its biotic and abiotic processing and to link OM transformation pathways across ecosystems and research communities. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138959

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/505956695 (Webseite)

Status

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