Description: Methan (CH4) ist ein potentes Treibhausgas, das zur globalen Erwärmung beiträgt und eine wichtige Rolle in der Atmosphärenchemie spielt. Aquatische Systeme wurden kürzlich als bedeutende Quellen von CH4 identifiziert, die bis zu 50 % zu den globalen CH4-Emissionen ausmachen. Es besteht jedoch weiterhin erhebliche Unsicherheit über das Ausmaß dieser Emissionen, insbesondere über deren räumliche und zeitliche Treiber. Dies gilt besonders für CH4-Emissionen aus den aquatischen Systemen der Arktis, die bisher kaum untersucht wurden. Um das Verständnis des globalen CH4-Budgets zu verbessern, ist es daher entscheidend die Quellen von CH4 in aquatischen Systemen genau zu charakterisieren und zu klassifizieren. Aktuelle Methoden zur Klassifizierung von CH4-Quellen nutzen stabile Isotopenverhältnisse wie stabile Kohlenstoff- (delta13C) und Wasserstoff- (delta2H) Isotopenwerte von CH4 (13C vs. 2H Diagramme) sowie geochemische Bernard-Verhältnisse, welche die molaren Verhältnisse von CH4 zu Ethan und Propan gegen delta13C-CH4 Werte darstellt (Bernard-Diagramme). Beide Diagramme werden verwendet, da verschiedene CH4-Quellen durch spezifische Bereiche von delta13C- und delta2H-CH4-Werten sowie Bernard-Verhältnissen charakterisiert sind. Eine wesentliche Einschränkung ergibt sich aus der CH4-Oxidation (MOx) durch methanotrophe Bakterien, die in aquatischen Umgebungen weit verbreitet sind. Dieser Prozess verändert die CH4-Konzentrationen und stabilen Isotopenwerte sowie die Ethan- und Propankonzentrationen, wobei die Oxidation dieser Gase bezüglich der CH4-Quellenklassifizierung bisher unberücksichtigt bleibt. Dies kann zu einer erschwerten Klassifizierung von CH4-Quellen bis hin zu Fehlinterpretationen führen. Ein vielversprechender neuer Parameter, um die Klassifizierung von CH4-Quellen in dieser Hinsicht zu verbessern, ist der sogenannte Delta(2,13)-Parameter, der auf den delta13C- und delta2H-Werten von CH4 basiert, jedoch zusätzlich für die durch MOx verursachte Isotopenfraktionierung korrigiert. Derzeit beeinträchtigen jedoch die begrenzte Nutzung des Delta(2,13) Parameters sowie fehlendes Wissen über potenzielle Einflussfaktoren seine Zuverlässigkeit und erfordern eine systematische Untersuchung. Das Ziel von AMIOX ist es, das Verständnis des aquatischen CH4-Kreislaufs zu vertiefen, indem die Klassifizierung von CH4-Quellen und -Senken in gemäßigten und arktischen aquatischen Systemen verbessert wird. Dies soll durch die Einführung des neuen Delta(2,13)-Parameters in Kombination mit Bernard- und 13C vs. 2H-CH4 Diagrammen erreicht werden. Um diese Ziele zu erreichen, werde ich den Einfluss von MOx auf die Delta(2,13)-Werte und Bernard-Verhältnisse durch drei weit verbreitete methanotrophe Spezies in Laborstudien unter verschiedenen Umweltbedingungen untersuchen. Schließlich werde ich die erworbenen Erkenntnisse im Feld anwenden, um das Verständnis des CH4-Kreislaufs in Seen in gemäßigten Breiten in Deutschland und arktischen Seen in Grönland zu verbessern.
Types:
SupportProgram
Origins:
/Bund/UBA/UFORDAT
Tags:
Äthan
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Propan
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Grönland
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Seen
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Lack
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Methanemission
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Methanotrophe Bakterien
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Hydrogeologie
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Methan
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Globale Erwärmung
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Arktis
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Hydrochemie
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Limnologie
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Siedlungswasserwirtschaft
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Gemäßigte Zone
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REACH
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Atmosphärenchemie
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Hydrologie
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Standortbedingung
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Treibhausgas
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Integrated Water Resources Management
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Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
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Urban Water Management
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Water Chemistry
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Region:
Baden-Württemberg
Bounding boxes:
9° .. 9° x 48.5° .. 48.5°
License: cc-by-nc-nd/4.0
Language: Deutsch
Organisations
-
Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (Mitwirkung)
-
Kobenhavns Universitet, Institut for Geovidenskab og Naturforvaltning (Mitwirkung)
-
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Centre for Organismal Studies (COS), Forschungsgruppe Molekulare Physiologie der Pflanzen (Mitwirkung)
-
Umweltbundesamt (Bereitstellung)
-
Universität Heidelberg, Institut für Geowissenschaften (Projektverantwortung)
Time ranges:
2025-01-01 - 2025-08-22
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Advancing the understanding of the aquatic methane cycle through cutting-edge isotopic approaches and methane oxidation analysis
Description: Methane (CH4) is a key climate-relevant gas, significantly contributing to global warming and playing an important role in atmospheric chemistry. Recent studies have identified aquatic systems as major sources of CH4, potentially responsible for up to 50% of global emissions. However, substantial uncertainty remains about the magnitude of these emissions, particularly concerning their spatial and temporal drivers. This issue is especially relevant in Arctic environments, where currently only a limited number of studies exist. Therefore, accurately characterizing and classifying CH4 sources in aquatic environments is essential to advance our understanding of their role in the global CH4 budget. Current CH4 source classification methods use stable isotope ratios, such as stable carbon (delta13C) and hydrogen (delta2H) isotope values of CH4 (visualized as 13C vs. 2H plots) and geochemical Bernard ratios, representing the molar ratios of CH4 relative to ethane and propane vs. delta13C-CH4 values (Bernard plots). Both diagrams classify different CH4 sources by their distinct ranges of delta13C- and delta2H-CH4 values as well as Bernard ratios, due to differences in their underlying production mechanisms. However, a major limitation arises from concurrent CH4 oxidation (MOx) by methanotrophic bacteria, which is widespread in aquatic environments. This process alters CH4 concentrations and stable isotope values, as well as ethane and propane levels, though oxidation of these gases is currently overlooked with respect to CH4 source classification. Thus, MOx complicates the source classification of CH4 which may further lead to data misinterpretation. To overcome these limitations, novel tools and improved methods for source classification are needed. One promising advancement is the delta(2,13) parameter, which is based on delta13C- and delta2H values of CH4 but corrects for isotope fractionation alteration caused by MOx. Thereby, the delta(2,13) parameter has the potential to significantly improve source classification accuracy and to enhance the assessment of contributions from different CH4 sources in aquatic systems. However, its currently limited application and the lack of knowledge of its influencing factors challenge its reliability and demand a systematic investigation. The overall aim of AMIOX is to enhance our understanding of aquatic CH4 cycling by improving the classification of CH4 sources and sinks in temperate and Arctic aquatic environments. This will be achieved by introducing and combining the novel delta(2,13) parameter with revised Bernard and 13C vs. 2H-CH4 plots. To reach these goals, I will investigate the influence of MOx from three widespread methanotroph species on delta(2,13) values and Bernard ratios in laboratory studies under different environmental conditions. Finally, I will apply these findings in the field to better characterize and advance the understanding of the CH4 cycle in temperate lakes in Germany and Arctic lakes in Greenland.
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