In diesem Projekt wollen wir in einem Süßwasserhabitat die Koppelung der nitratabhängigen Methanoxidation (n-damo) mit dem Anammox Prozess nachweisen. Messungen der stabilen Isotope im Methan, Nitrat, Nitrit, Ammonium und DIC und molekularbiologische Methoden sollen helfen, diese Prozesse zu entschlüsseln. Zudem wollen wir klären, wie die Erkenntnis von einströmendem Grundwasser in das Habitat (Interaktion zwischen Grundwasser und Seewasser) zu erklären ist, dass die für die Prozesse (n-damo, Anammox, Methanogenese) benötigten stabilen Umwelt- bzw. anoxischen Redoxbedingungen vorliegen.
Es werden Mikroorganismen gesucht und untersucht, welche in Mischkultur mit Methanosarcina barkeri Verbindungen wie Cholin oder Betain in Methan, Kohlendioxid und Ammoniak umwandeln.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein prozessorientiertes Modell zur Beschreibung von biogeochemischen Stoffumsetzungen in landwirtschaftlich genutzten Böden derart weiterentwickelt werden, daß es zur Prognose von CH4- und N2O-Spurengasemissionen aus dem Reisanbau eingesetzt werden kann. Insbesondere soll die numerische Beschreibung der in der CH4- und N2O-Produktion und Konsumption involvierten mikrobiologischen Prozesse Methanogenese, Methan-Oxidation, Nitrifikation und Denitrifikation und deren Abhängigkeit von Änderungen des Redoxpotentials im Boden implementiert bzw. verbessert werden. Zudem sollen die verschiedenen Mechanismen, die zur Emission von Spurengasen aus dem Reisanbau beitragen (Diffusion, Gasblasenbildung bei Überstauung, Pflanzentransport) sowie die Auswirkung von radialen Sauerstoffverlusten der Reiswurzeln auf die mikrobiologischen Prozesse in einer durch Anaerobiosis dominierten Umgebung in das Modell implementiert werden.
Methan ist ein bedeutendes Treibhausgas, das einen starken Einfluss auf die Klimaentwicklung der Erde nimmt. Zurzeit sind das Wissen um die verschiedenen Methanquellen und deren atmosphärischer Einfluss noch äußerst lückenhaft. Eine Quelle, die hier von besonderer Wichtigkeit sein könnte, ist die mikrobielle Methanproduktion innerhalb des Darms bestimmter Zooplanktonorganismen bzw. der von ihnen ausgeschiedenen Kotpillen. Diese Quelle ist hauptsächlich in der oberen sauerstoffhaltigen Wassersäule angesiedelt und kann somit einen unmittelbaren Einfluss auf den Methanfluss zwischen Ozean und Atmosphäre nehmen. In unserem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass in hochproduktive Regionen, wie z.B. in Randmeeren, diese Zooplankton-basierte Methanproduktion besonders stark ausgeprägt ist. Des Weiteren vermuten wir, dass die zeitweise in der Ostsee beobachtete subthermokline Methananomalie durch diese Methanquelle hervorgerufen wird. Im ZooM-Projekt werden wir deshalb die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion im Modellgebiet Ostsee mit Hilfe eines multidisziplinären Ansatzes untersuchen, indem wir die Fachgebiete Methanchemie, Mikrobiologie und Zooplanktologie konzertiert einsetzen. Im Detail wollen wir die folgenden Schlüsselfragen beantworten: (1) Ist die subthermokline Methananomalie ein verbreitetes Phänomen in der Ostsee und können wir saisonale und regionale Unterschiede in ihrer Ausprägung identifizieren? (2) Besitzt die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion das Potential die beobachtete Methananomalie auszubilden und wie beeinflussen Copepodenarten und Umweltbedingungen (wie die Nahrungszusammensetzung) die Methanproduktion? (3) Welche methanogenen Mikroorganismen sind in die subthermokline Methanproduktion im Copepoden-Darm und ihren Kotpillen involviert und lassen sich Unterschiede der beteiligten methanogenen Gemeinschaften und deren Aktivität ausmachen?
Seen gelten als Hauptverursacher von atmosphärischem Methan (CH4). CH4-Emmissionen entstehen durch Blasenbildung und diffusiven Transport von CH4 über die Wasser-Atmosphären-Grenzfläche. Letzteres beruht auf einer Übersättigung von gelöstem CH4 im Oberflächenwasser. Während der geschichteten Periode kann die CH4 Konzentration im oxischen Epilimnion die Konzentration des oxischen Hypolimnios übersteigen. Diese Anreicherung von CH4 im Epilimnion ist bisher noch nicht gänzlich verstanden und wird häufig als „Methanparadox“ bezeichnet, da: (i) die vertikale CH4 Diffusion diese Anreicherung nicht verursachen kann, da die CH4 Konzentration niedriger in tieferen Wasserschichten als im Epilimnion ist, und (ii) die CH4 Produktion (Methanogenese) in oxischen Umgebungen normalerweise nicht vermutet wird. Daher gibt es zwei Haupthypothesen bezüglich des Methanparadox, die darauf hindeuten, dass die Hauptquelle für das angereicherte CH4 in den oxischen Schichten entweder (i) der laterale Transport von CH4 aus hochproduktiven Uferzonen ist oder (ii) die Methanogenese, die im oxischen Wasser des Epilimnions stattfindet. Trotz der Bemühungen, die in den letzten Jahren unternommen wurden, um die Hauptquelle(n) und Pfade des angereicherten CH4 im Epilimnion von Seen aufzuklären, fehlt beide Hypothesen immer noch starke Unterstützung durch experimentelle Beweise. Für das beantragte Projekt, werden wir detaillierte Feld- und Labormessungen durchführen, um beide dieser Hypothesen zu testen. Räumliche Verteilungen von CH4konzentrationen, CH4 flüsse, oxische CH4 Produktion sowie Oxidationsraten werden verwendet, um unbekannte CH4 Quellen im Epilimnion zu quantifizieren. Transekte von Vertikalprofilen von gelöstem CH4 die Bestimmung des CH4 Transports innerhalb der litoralen Zone sowie aus der litoralen Zone in die pelagische Zone hinein. Die Erhebung solcher detaillierten Daten, welche für diese Analyse erforderlich sind, wird durch die Verwendung eines hochsensitiven Messystems gewährleistet, welches eine schnelle Erfassung von räumlich hochaufgelösten Verteilungen von gelöstem CH4 ermöglicht. Die CH4 Flüsse sowie Produktions- und Oxidationsraten werden mit Hilfe der Flusskammer Methode und Respirationsassays bestimmt. Unterstützend werden stabile Isotopenanalysen und molekularbiologische Werkzeuge verwendet um die wichtigsten biochemischen Wege und Aktanten zu identifizieren. Die Untersuchungen werden im Untersee (Bodensee) und im Überlingersee durchgeführt. Beide dieser Seen besitzen eine ähnliche Wasserchemie, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer CH4 Konzentrationen, was eine vergleichende Bewertung der CH4 Dynamiken ermöglicht. Insgesamt zielt dieses Projekt darauf ab, das „Methanparadox“ zu enthüllen, indem es nicht nur die Hauptquelle(n) des CH4 im übersättigten Epilimnion entschlüsselt, sondern ebenfalls die Massenbilanz des CH4 in Seen mit ähnlichen Eigenschaften schließt.