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Methanemissionen aus Kleinseen: Dynamik und Verteilungsmuster (MethDyn)

Kleinseen stellen eine bedeutende Quelle von Methan im globalen Methanhaushalt dar. Diese Seen weisen pro Flächeneinheit höhere Methanflüsse auf als große Seen und haben einen wesentlichen Anteil an den weltweiten Methanemissionen aus Seen. Allerdings sind die Abschätzungen der seeweiten Methanemissionen mit sehr großen Unsicherheiten behaftet. Das liegt daran, dass es nur wenige und unzureichende Messungen und Modellansätze gibt, die die zeitliche und räumliche Variabilität von Methan in Seen erfasst. Die Ziele des Projekts sind die Dynamik und Verteilungsmuster von Methan in und Methanemissionen aus Kleinseen zu untersuchen sowie die Eigenschaften der Seen zu charakterisieren und die Prozesse zu quantifizieren, die die seeweiten Methanemissionen aus Kleinseen bestimmen. Ein spezieller Fokus des Projekts liegt dabei auf der relativen Bedeutung und zeitlichen Variabilität der räumlichen Methangradienten, der Herbst-Vollzirkulation und der verschieden Emissionspfade für die jährlichen, seeweiten Methanemissionen. Am Beispiel von sechs Kleinseen, die unterschiedliche Eigenschaften besitzen, werden intensive Feldexperimente durchgeführt. Während der Feldexperimente werden unter Berücksichtigung der Hauptemissionspfade die seeinterne Dynamik, räumliche Heterogenität, seeweite Verteilung und zeitliche Variabilität von gelöstem Methan und Methanemissionen zusammen mit den abiotischen Bedingungen in den sechs Kleinseen gemessen und analysiert. Dabei kommen neuste Messtechniken zum Einsatz (Eddy-Kovarianz System, Ein- und Mehrfrequenz Echolote, Methansonden, automatisierte Methanflusskammern und -trichter, tragbarer Treibhausgasanalysator, Sauerstoff- und Kohlendioxid-Optoden), die mit einer intensiven Wasserprobenahme und -analyse (gelöstes Methan, Methan-Isotopenzusammensetzung, Methan-Oxidationsraten und andere Wasserinhaltsstoffe) verknüpft werden. Diese Kombination erlaubt eine genaue und zuverlässige Aufnahme aller im Kontext nötigen abiotischen Parameter und im Speziellen der gelösten Methankonzentration mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auslösung. Die Feldexperimente werden durch numerische Simulationen zur Dynamik von Methan mit einem 3D Methan Modell komplettiert. Ziel dieser Modellrechnungen ist es, den horizontalen Transport, die Dynamik, Verteilung sowie den seeweiten, diffusiven Fluss von gelöstem Methan in die Atmosphäre bei sich ändernden Randbedingungen zu untersuchen. Des Weiteren wird mit numerischen Experimenten bestimmt wie sich ein verändertes Klima und unterschiedliche Windszenarien auf den diffusiven Fluss von gelöstem Methan in die Atmosphäre während Zirkulationsphasen auswirken und deren relativen Anteil an den seeweiten, jährlichen Emissionen verändern.

Arsenmobilisierung im Grundwasser durch mikrobielle Eisen(III)-Reduktion in Verbindung mit Methanoxidation im dem Delta des Roten Flusses in Vietnam

Geogene Arsenverunreinigung (As) ist ein Problem in vielen Aquiferen in Südostasien und stellt eine Bedrohung für die Gesundheit von Millionen von Menschen dar. Das Verständnis der Mechanismen, die die As-Freisetzung im Grundwasser steuern, ist entscheidend, aber aufgrund der komplexen mineralogischen, geochemischen und hydrologischen Bedingungen oft begrenzt. Die reduktive mikrobielle Auflösung von As-haltigen Eisen(Fe)(III)-(Oxyhydr)oxid-Mineralen gekoppelt an die Oxidation von natürlichem organischen Material (NOM) ist ein bekannter Mechanismus für die As-Mobilisierung im Grundwasser. In den letzten Jahren wurden in verschiedenen Arsen-kontaminierten Aquiferen erhöhte Konzentrationen von gelöstem Methan (CH4) detektiert; das gelöste As korrelierte dabei direkt mit CH4 und Fe(II) im Grundwasser. Diese Ergebnisse werfen die Frage auf, ob CH4 als Elektronendonor für die mikrobielle Reduktion von As-haltigen Fe(III)-Mineralen dienen kann. Untersuchungen in unserem vorigen, DFG-Projekt "AdvectAs" haben Hinweise auf den Zusammenhang zwischen Fe(III)-abhängiger anaerober Oxidation von CH4 (AOM) und Mobilisierung von As im Red River Delta (Vietnam) geliefert. Mehrere Fragen blieben aber unbeantwortet: i) In welchem Ausmaß trägt Fe(III)-abhängige AOM zur As-Mobilisierung an verschiedenen Standorten im Red River Delta bei? ii) Welches sind die wichtigsten Stoffwechselwege und aktiven mikrobiellen Gemeinschaften in Aquiferen, in denen Fe(III)-abhängige AOM vorkommt? iii) Welche Identität haben die Mikroorganismen, die für die Fe(III)-abhängige AOM verantwortlich sind? Können wir sie isolieren? iv) Welche Gene und Stoffwechselwege tragen zur Fe(III)-abhängigen AOM in angereicherten Kulturen bei? Daher ist das Hauptziel dieses Projekts, die Rolle der Fe(III)-abhängigen AOM für die As-Mobilisierung im Red River Delta zu untersuchen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir biogeochemische Analysen und molekularbiologische (Omics)Methoden einsetzen. Das Projekt ist in sechs Arbeitspakete (WPs) unterteilt. In den WPs 1 und 4 werden Feldkampagnen zur Probenahme durchgeführt, gefolgt von der Charakterisierung geochemischer Parameter und mikrobieller Gemeinschaften in Grundwasser und Sedimenten. WPs 2 und 5 werden sich auf die Isolierung von Fe(III)-abhängigen AOM-Mikroorganismen, die Charakterisierung ihrer Substratprofile und die Aufklärung der Stoffwechselwege und Genexpressionen der angereicherten Kulturen oder Isolate konzentrieren. WPs 3 und 6 werden die CH4-Oxidationsraten unter verschiedenen geochemischen Bedingungen quantifizieren und Metagenomik (und, falls möglich, Metatranskriptomik) ausgewählter Sedimentproben anwenden, um die dominanten und aktiven Stoffwechselwege zu identifizieren, die die As-Mobilisierung an den Feldstandorten beeinflussen. Unsere Ergebnisse werden Aufschluss über die Bedeutung der Fe(III)-abhängigen AOM zur As-Mobilisierung geben und zu unserem Verständnis der globalen Methanreduktion durch Fe(III)-abhängige AOM beitragen.

Dissolved methane concentration variability along freshwater-sea continuum at Cuxhaven, northern Germany, 2021

The dataset is about temporal variability of dissolved methane along the freshwater-sea continuum in northern Germany. Sensors were installed at fixed stations at in total three sites at different water depths. This dataset is from the station in Cuxhaven (53.8771 N, 8.7048 E) taken at about 2-7m depth (depending on the tide). The data was obtained between 11 April and 28 August 2021 in high frequency measurements (1 min) with a methane sensor from Kongsberg (4H Jena model CONTROS HydroC CH4). Methane concentrations were calculated according to manufacturer's instructions, based on temperature and salinity values from COSYNA Container Cuxhaven. For the quality control of the data a local range of 0.1 – 1000 nmol/L was set, a technical range for the pump power 2 – 8 Watt, a spike and gradient value of 1. Due to heavy biofouling the external pump of the sensor failed, resulting in data gaps. For a more detailed description see the article cited in References.

Dissolved methane concentration and diffusive flux near Sylt, North Sea in summer 2023

In July 2023 a cruise with RV Mya_II took place to investigate if the dredging of sand off Sylt influences the atmospheric and dissolved methane concentrations. With the ship's system water temperature and salinity was recoreded, as well as the wind speed. Atmospheric concentrations were measured with a LICOR trace gas analyzer. Dissolved methane was determined via a degassing system connected to a greenhouse gas analyzer as online measurements. Theses relative concentrations were converted to concentrations with water samples analyzed with gas chromatography.

Methan-Hintergrundwerte im Grundwasser von Niedersachsen 1 : 500.000

Im Rahmen eines Verbundvorhabens (LBEG, BGR) wurden für die Hydrogeologischen Teilräume Niedersachsens Hintergrundwerte für gelöstes Methan im Grundwasser von Niedersachsen ermittelt. Die Hintergrundwerte von gelöstem Methan umfassen die Gehalte, welche sich unter natürlichen Bedingungen im Grundwasser einstellen. Methan wird im Grundwasser hauptsächlich in-situ durch Mikroorganismen gebildet und abgebaut. Die Karte zeigt farblich differenziert die Methan-Hintergrundwerte (90%-Perzentile) der unterschiedlichen Teilräume bzw. Teilraumgruppen. Detaillierte Informationen sind im GeoBericht 35 zu finden.

Methan-Hintergrundwerte im Grundwasser von Niedersachsen 1 : 500.000 (WMS Dienst)

Im Rahmen eines Verbundvorhabens (LBEG, BGR) wurden für die Hydrogeologischen Teilräume Niedersachsens Hintergrundwerte für gelöstes Methan im Grundwasser von Niedersachsen ermittelt. Die Hintergrundwerte von gelöstem Methan umfassen die Gehalte, welche sich unter natürlichen Bedingungen im Grundwasser einstellen. Methan wird im Grundwasser hauptsächlich in-situ durch Mikroorganismen gebildet und abgebaut. Die Karte zeigt farblich differenziert die Methan-Hintergrundwerte (90%-Perzentile) der unterschiedlichen Teilräume bzw. Teilraumgruppen. Detaillierte Informationen sind im GeoBericht 35 zu finden.

Dissolved methane concentrations, diffusive methane flux and EOVs in the German Bight in February 2025 (Sternfahrt 13)

In continuation of the previous cruises (Sternfahrten) we covered a similar area with the RV Heincke. All instruments were set up in the MOSES laboratory container. Standard hydrographic parameters were determined with a pocket ferrybox running with ship's surface water supply. In addition, dissolved methane was determined continuously. We used a degassing unit which was using surface water from the ship's water supply. The gas mixture was subsequently analysed with a Greenhouse Gas Analyzer from LosGatos. Conversion to methane concentration was performed with water samples, from which the methane content was determined with gas chromatography. Atmospheric methane concentrations were obtained from the ICOS-station Helgoland. Wind speed was obtained from the ships meteorological systems. The diffusive flux was calculated as outlined in the additional meta data description.

Methane concentration and diffusive flux in the Northern Sea off Heligoland in 2024

As part of the MOSES Project, in April 2023 methane measurements were started in the north-western part of the island Heligoland in the German Bight (North Sea). The objective was to complement the measurements of the Sternfahrten to identify the carbon cycle and its flow from the start of the Elbe river into the North Sea. Therefore, a Contros methane sensor for dissolved methane was deployed under water at about 10 to 12 meter depth (depending on the tide) close to the underwater observatory (UW-OBS) MarGate (54°11' N, 7°52' E), from the COSYNA Project. To ensure correct values latter was cleaned frequently from growing organisms by scientific divers. The present data contains the data from 2024, the second year running the sensors. Based on the concentrations of dissolved methane the methane emissions (diffusive flux) was calculated.

Dissolved methane concentrations, diffusive methane flux and EOVs in the German Bight in September 2024 (Sternfahrt 12)

In continuation of the previous cruises (Sternfahrten) we covered a similar area with the RVs Ludwig Prandtl and Mya II. All instruments were set up in the MOSES laboratory container. Standard hydrographic parameters were determined with a pocket ferrybox running with ship's surface water supply. In addition, dissolved methane was determined continuously. We used a degassing unit which was using surface water from the ship's water supply. The gas mixture was subsequently analysed with a Greenhouse Gas Analyzer from LosGatos. Conversion to methane concentration was performed with water samples, from which the methane content was determined with gas chromatography. Atmospheric methane concentrations were obtained from the ICOS-station Helgoland. Wind speed was obtained from the ships meteorological systems. The diffusive flux was calculated as outlined in the additional meta data description.

Dissolved methane concentrations, diffusive methane flux and Essential Ocean Variables (EOVs) in the German Bight in January 2024 (Sternfahrt 11)

In January 2024 a river flood by the Elbe and Weser resulted in very high discharge of freshwater into the German Bight. To follow this river, plume the RV Mya II cruised from Sylt and between Helgoland, Cuxhaven, Büsum. All instruments were set up in the MOSES laboratory container. Standard hydrographic parameters were determined with a pocket ferrybox running with ship's surface water supply. In addition, dissolved methane was determined continuously. We used a degassing unit which was using surface water from the ship's water supply. The gas mixture was subsequently analysed with a Greenhouse Gas Analyzer from LosGatos. Conversion to methane concentration was performed with water samples, from which the methane content was determined with gas chromatography. Atmospheric methane concentrations were obtained from the ICOS-station Helgoland. Wind speed was obtained from the ships meteorological system. The diffusive flux was calculated as outlined in the additional meta data description.

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