Aufbauend auf den im Projekt CarboPerm gewonnenen Erkenntnissen, soll im Rahmen des neu ausgerichteten Teilprojekts 3 (Teilprojekt 3) von KoPf der mikrobielle Abbau der organischen Substanz und die Bildung von Treibhausgasen aus tauenden Permafrostböden untersucht werden. Neben der Quantifizierung der Treibhaugasflüsse, sollen deren Hauptquellen über 14CO2- und 14CH4-Analytik ermittelt werden. Konkret geht es in diesem Vorhaben erstmalig um die Charakterisierung der aktiven mikrobiellen Gemeinschaft, deren Dynamik nach dem Tauen des eisreichen Permafrostes und deren Aktivität, die maßgeblich den Abbau der organischen Substanz und die resultierende Treibhausgasfreisetzung steuern. Neben der initialen Gemeinschaft werden im Abstand von sechs Monaten zu insgesamt vier Zeitpunkten die Veränderungen der Struktur und Abundanz der aktiv Spurengas-bildenden Mikroorganismen aus Langzeitinkubationen analysiert. Aus den Feld- und Langzeitinkubationsproben wird zunächst der Gesamtgehalt an Nukleinsäuren extrahiert und quantifiziert und die aktive mit der Gesamtpopulation der Mikroorganismen in Beziehung gesetzt. Basierend auf dem funktionellen mcrA Gen (Schlüsselgen der Methanbildung) und dem taxonomischen 16S rRNA Gen wird die Zusammensetzung und Diversität der aktiven Population bestimmt. Dazu werden für jeden Ausgangszustand (intakter Permafrost, tauender Permafrost und bereits getauter Permafrost) und Standort (Bykovsky und Lena-Delta) an 4 Proben in biologischen Triplikaten Hochdurchsatz-Sequenzierungen (llumina MiSeq Bibliotheken) durchgeführt. An ausgewählten Proben erfolgen darüber hinaus Metagenomanalysen (Gesamt DNA Sequenzierung). Weiterhin werden in allen Proben mittels qPCR die Zellzahlen der aktiv methanbildenden und bakteriellen Gemeinschaften bestimmt.
Versuche, das Lena-Delta zu modellieren, sind praktisch nicht vorhanden. Das ist dadurch zu begründen, dass einerseits die Region eine hohe Komplexität aufweist und andererseits Beobachtungsdaten fehlen, um solche Modelle zu erstellen. Es ist darüber hinaus nicht möglich, verlässliche Vorhersagen zu machen, ohne den Einfluss des Lena-Flusses auf die Dynamik der Laptewsee und des Arktischen Ozeans zu berücksichtigen. Um diese wichtige Lücke zu schließen, ist in dem Projekt die Entwicklung weitreichender numerischer Module für die Lena-Delta-Region geplant. Sie sollen Inputdaten für die größerskaligen regionalen Modelle zur Verfügung stellen und die Ökosysteme modellieren, welche das Laptewsee-Schelf beinhalten. Im Rahmen des Vorhabens wird zunächst ein Hydrodynamikmodul entwickelt. Die Federführung liegt bei Frau Vera Fofonova. Außerdem wird ein Transport Modul von Ingeborg Bussmann aufgebaut. Parallel hierzu soll ebenfalls ein Ökosystem-Modul von Alexandra Kraberg erstellt werden. Anschließend werden die einzelnen Module in ein Gesamtsystem implementiert. Um die Arbeiten umzusetzen werden vier Workshops zu den folgenden Themen organisiert: 1) Die Lena Delta Region aus verschiedenen Perspektiven (Novosibirsk (Russland); 2) Entwicklung numerischer Module, ihre Implementierung und Approbation, Datenlücken (Rostov-am-Don (Russland) und 3) Das Lena Delta Ökosystem (Helgoland (Deutschland)). 4) Die Lena Delta Region, der Zugang über die Modellierung (Bremerhaven (Deutschland)).
Das Ziel des Teilprojektes 5 ist ein verbessertes Verständnis der mikrobiell gesteuerten Umwandlung von organischer Bodensubstanz aus rezenten Permafrostböden und älteren Permafrostablagerungen und die damit verbundene Freisetzung von Treibhausgasen. Um die gesetzten Ziele erreichen zu können, werden die zugrunde liegenden mikrobiellen Lebensgemeinschaften, deren Funktion bei der Mineralisation der organischen Substanz sowie deren Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen mittels eines kombinierten Forschungsansatzes aus mikrobiellen Prozessstudien, DNA-basierten Diversitätsstudien und Lipidbiomarkerstudien untersucht. Aus dem Vergleich der Kohlenstoffpools, deren Qualität und Abbaubarkeit, der Zusammensetzung mikrobieller Lebensgemeinschaften sowie deren potenzieller Aktivität in den entsprechenden Permafrostablagerungen sollen Rückschlüsse auf die Auswirkung von Klimaänderungen auf den Kohlenstoffumsatz und die Freisetzung von Treibhausgasen gezogen werden. Zu diesem Zweck werden zum einen rezente Permafrostböden der aktiven Auftauzone an den Standorten Lena-Delta und Dmitry-Laptew-Straße und zum anderen ältere Permafrostablagerungen aus dem Bohrprogramm an der Dmitry-Laptew-Straße untersucht. Die Daten zur gegenwärtige C-Dynamik werden vor dem Hintergrund der Ergebnisse zu früheren Klimazyklen interpretiert und dienen dem Verständnis der zukünftigen Entwicklung von Permafrostlandschaften als Senke bzw. Quelle für klimarelevante Spurengase.