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Methanproduktion durch Mikrophytobenthos und dessen Beitrag am benthischen Methanfluss in der Küstenzone der Ostsee

Der Anstieg natürlicher Emissionen des Treibhausgases Methan haben einen bedeutenden Einfluss auf das Klima der Erde. Als Methanquelle nehmen küstennahe Gewässer eine besondere Stellung ein, da die Methankonzentration im Wasser hier wesentlich höher ist als im offenen Ozean. Trotz der Bedeutung der Küstengebiete ist bisher nur wenig bekannt über die hier zu findenden Methanemittenten und ihr jeweiliger Beitrag am atmosphärischen Methanfluss. Zudem zeigen eine Reihe aktueller Untersuchungen, dass Methan nicht nur unter anoxischen Bedingungen mikrobiell gebildet werden kann, sondern dass dies auch in einer oxischen Umgebung möglich ist. Eine solche Methanproduktion nahe der Meeresoberfläche würde den Weg zwischen Methanquelle und Atmosphäre wesentlich verkürzen und damit den Methanfluss in die Atmosphäre verstärken. Aufgrund einiger Untersuchungen, die eine Verknüpfung zwischen Primär- und Methanproduktion aufzeigen, stellen wir die Hypothese auf, dass Mikrophytobenthos (MPB)-Gemeinschaften eine wichtige, aber bisher nicht bearbeitete Stellung in der Flachwasser-Methandynamik zukommen. MPB-Gemeinschaften nehmen eine herausragende Rolle in der Primärproduktion von Küstensedimenten ein. Um die Bedeutung der MPB-assoziierten Methanproduktion besser einordnen zu können, werden wir das Potential dieser Methanquelle in Inkubationsexperimenten detailliert untersuchen. Zur Bestimmung der hierbei wichtigen Effektoren und Mikrophytobenthosarten werden wir an verschiedenen axenischen und xenischen klonalen Kulturen benthischer Diatomeen-Spezies die Primär- und Methanproduktion unter kontrollierten Temperatur- und Lichtbedingungen bestimmen. Mit Hilfe einer neuen Cavity-Ring-Down-Spektroskopie basierten Methode planen wir an geschlossenen Inkubationen die Methankonzentrationsentwicklung in hoher zeitlicher Auflösung über Tag/Nacht Zyklen zu erfassen. Zusätzliche Inkubationen mit 13C-markierten Substraten werden es uns erlauben, den Weg der Methanproduktion in den Diatomeen einzugrenzen. Bisher wurde der Prozess der oxischen Methanproduktion nur in Kulturexperimenten untersucht. Ob die hier ermittelten Raten auch in die natürliche Umgebung übertragbar sind, wurde hingegen nicht geprüft. Um diese Wissenslücke zu schließen, planen wir neben den Experimenten an klonalen Kulturen auch Studien an natürlichen MPB-Gemeinschaften durchzuführen. Diese Gemeinschaften werden wir im Flachwasser vor der Insel Askö (schwedische Ostseeküste) und dem inneren Küstengewässer vor Zingst (Darßer-Zingst-Bodden, deutsche Ostseeküste) beproben, um ein möglichst breites Spektrum an Sedimenten, hydrodynamischen Bedingungen und MPB-Gemeinschaften abzudecken. Um die in unseren Experimenten ermittelten Methanproduktionsraten in die benthischen und atmosphärischen Methanflüsse besser einordnen zu können, werden wir in beiden Untersuchungsgebieten die Methanflüsse zwischen Sediment, dem Wasser und der Atmosphäre bestimmen.

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.

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.

Dissolved methane concentrations of water samples from the North Sea during ALKOR cruise AL575 (27 June 2022 - 13 July 2022)

Water sampling was conducted during AL575 cruise in the North Sea by using Niskin Bottles attached to CTD/Water sampler rosette and ROV (Haeckel and Schmidt, 2024). To detect methane anomalies in the water column derived from seafloor gas emissions the recovered water samples were processed by using headspace gas sampling and subsequent gas chromatographic analysis. Based on measured methane concentrations of headspace gas in (micro-atm) the dissolved methane concentrations in water were calculated (nmol l-1).

Methane concentration and diffusive flux in the Northern Sea off Heligoland in 2023

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 2023, the first year running the sensors. Based on the concentrations of dissolved methane the methane emissions (diffusive flux) was calculated.

Dissolved methane concentration variability along freshwater-sea continuum at Heligoland, Southern North Sea, 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 Heligoland (54.1833 N, 7.8667 E) at about 9-12m depth (depending on the tide). The data was obtained between 27 April and 28 October 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 UW-node Heligoland (Fischer, Philipp; Happel, Lea; Brand, Markus; Eickelmann, Laura; Lienkämper, Miriam; Bussmann, Ingeborg; Anselm, Norbert; Brix, Holger (2022): Hydrographical time series data of Helgoland, Southern North Sea, 2021. PANGAEA, https://doi.org/10.1594/PANGAEA.950173). A gap in the salinity data was replaced with the median value of the observed time span (31.66). 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. For a more detailed description see the article cited in References.

Führt eine gesteigerte Siliziumverfügbarkeit zu eine Erhöhung der Mineralisierung von organischem Material in Niedermooren?

Silizium (Si) spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die Si-Verfügbarkeit in Ökosystemen ist dabei sehr unterschiedlich, abhängig von Ökosystemtyp, Ausgangsgestein, Vegetation und weiteren Faktoren. Aktuelle Forschung hat gezeigt, dass die Si-Verfügbarkeit entscheidend für Nährstoffgehalt und Nährstoffstöchiometrie von pflanzlicher Streu ist; besonders deutlich ist dieser Zusammenhang in Gräser-dominierten Systemen. Bedeutend in dem Zusammenhang ist eine gesteigerte Abbaurate von organischem Material bei gesteigerter Si-Verfügbarkeit. Pflanzenstreu mit geringen Nährstoffgehalten wird bekanntermaßen langsamer abgebaut als nährstoffreiche Streu. Allerdings konnte kürzlich gezeigt werden, dass nährstoffarme Streu mit hohen Si-Gehalten schneller abgebaut wird als nährstoffreiche Streu mit wenig Si. Dabei wurde gleichzeitig durch die Erhöhung des Si-Gehaltes der Streu die Biomasse der abbauenden Pilze stark reduziert. Dies beweist die Bedeutung von Si für den Kohlenstoffkreislauf und die mikrobielle Abbaugemeinschaft in von Gräsern dominierten Ökosystemen. Niedermore, als wichtige Kohlenstoffspeicher und bedeutende Treibhausgas-emittenden, sind solche von Gräsern dominierten Ökosysteme mit einem potentiell hohen Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf. Eine Vorabstudie, welche den Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf in einem Niedermoor untersuchte, zeigte eine verstärkte Respiration mit einer Vordopplung der Methangehalte im Torfkörper auf Si gedüngten Flächen. Allerdings wurde gleichzeitig zu den erhöhten Respirationsraten auch ein Anstieg der Phosphorgehalte (P) in der Bodenlösung gemessen. Eine Erhöhung des verfügbaren P führt bekanntermaßen ebenfalls zu einer Erhöhung der Respiration. Das Ziel des beantragten Projektes ist die direkten Effekte von Si auf den Kohlenstoffkreislauf von den indirekten Effekten (durch die Si bedingte P-Mobilisierung) zu trennen und eine Quantifizierung beider Prozesse vorzunehmen. Unsere Hypothesen sind (i) eine höhere Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung der Respiration organischer Substanz (Torf), durch (ii) direkte Si-Effekte und indirekte Si-Effekte durch eine Steigerung der P-Verfügbarkeit, (iii) die Steigerung der Respiration durch Si wird vorrangig durch Bakterien als durch Pilze erzielt und (iv) eine Steigerung der Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung von P und N Verfügbarkeit, Umsatz und Aufnahme durch Pflanzen und damit zu labilerer Streu. Die Mechanismen zu verstehen auf welche Weise Si den Kohlenstoffkreislauf in Niedermooren beeinflusst ist ein wichtiger Teil eines verbesserten Verständnisses des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs.

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