Einflüsse von Makrozoobenthos auf Stofftransport und biogeochemische Prozesse in Seesedimenten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im DFG-Projekt „Einflüsse von Makrozoobenthos auf Stofftransport und biogeochemische Prozesse in Seesedimenten“ wurden wesentliche hydrodynamische, biologische und biogeochemische Prozesse in Folge der Besiedlung eines Seesediments mit Makrozoobenthos am Beispielorganismus Chironomus plumosus (4. Stadium, Länge 2 cm) untersucht. Der Einsatz der im Projekt entwickelten Messmethoden ergab, dass die Bioirrigation betreibenden Larven aufgrund ihrer Besiedlungsdichte hohe Pumpraten und Volumenströme erzeugen können: Beispielsweise wird ein Volumen, dass dem gesamten Wasservolumen des Müggelsees entspricht, in ca. 5 Tagen durch das Sediment gepumpt. Allerdings zeigten die Untersuchungen auch, dass die Bioirrigation stark von äußeren Parametern wie Temperatur, O2-Gehalt und Jahreszeit abhängt. Dennoch erhöht C. plumosus den Stoffeintrag ins Sediment ganzjährig, wobei die Eintragsrate im Frühjahr/Sommer signifikant höher ist als im Herbst. Mittels Positronen-Emissions-Tomografie (PET) konnte die von den Wohnröhren ausgehende Stoffausbreitung ins Sediment visualisiert werden. Hierbei zeigte sich, dass entgegen bisheriger Annahmen auch im schlammigen Seesediment advektive Transportprozesse bedeutsam sind. Mit einem numerischen Modell konnte das Ergebnis der PET-Untersuchung nachgebildet werden. Durch die Druckverhältnisse infolge der Pumpaktivität von C. plumosus entsteht Unterdruck auf der Röhreneingangs- und Überdruck auf der -ausgangsseite. Dadurch wird eine zirkulierende Strömung im Porenwasser um die Larve herum induziert. Die Porenwasser-Fließgeschwindigkeiten nehmen mit Entfernung zu Larve und Röhre ab. Die Messung der biogeochemischen Bedingungen ergab, dass durch die Aktivität von C. plumosus einerseits Stoffe wie SO42- und O2 ins Sediment eingetragen, andererseits Stoffe wie SRP und Fe2+ aus dem Sediment ausgetragen oder in den oxidierten Röhrenwandungen festgelegt werden. Die Sorption von P an Eisenoxyhydroxiden wurde durch die P-Fraktionierung von Material aus den Röhrenwandungen im Vergleich zu unbeeinflusstem Sediment bestätigt. Ein mehrjähriger Versuch zeigte, dass die P-Aufnahme in chironomidenbesiedeltem Sediment wesentlich höher ist als in Sediment ohne Larven. Da allerdings bei der P-Abgabe kaum Unterschiede zu erkennen waren, ist davon auszugehen, dass ein Teil des aufgrund der Bioirrigation zusätzlich aufgenommenen P dauerhaft im Sediment verbleibt. Mikrobiologische Analysen ergaben, dass im Sediment um die Wohnröhren die Bakterienabundanz höher, die Bakteriengemeinschaft der der Sedimentoberfläche ähnlicher, und das hydrolytische Potential größer ist als im unbeeinflussten Sediment. Die erhöhte P-Sorption im aeroben Sediment wurde anhand eines reaktiven Stofftransportmodells bestätigt. Das Modell macht aber auch die Konkurrenz verschiedener Stoffe neben P um die verfügbaren Sorptionsplätze, und somit die Abhängigkeit der P-Sorptionskapazität von der Porenwasser-Zusammensetzung, deutlich. Um den Gesamteinfluss des Makrozoobenthos auf Seesedimente zu ermitteln wäre es sinnvoll, die im Projekt erarbeiteten Methoden und Modelle auch auf andere Makrozoobenthosarten, Sedimente und biogeochemische Fragestellungen anzuwenden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2009). Die Auswirkung von Bioirrigation auf mikrobielle Gemeinschaften und Prozesse in limnischen Sedimenten. In: Erweiterte Zusammenfassung der DGL-Jahrestagung 2009. Werder, 47-53
Roskosch, A.; Dziallas, C.; Grossart, H.-P.; Hupfer, M. & Lewandowski, J.
- (2009): Ecohydrological effects of Chironomus plumosus larvae on lake sediments. In: Proceedings of the 7th International Symposium on Ecohydraulics. Concepcion, Chile, 10 pages
Roskosch, A.; Hamann, E.; Nützmann, G.; Hupfer, M. & Lewandowski, J.
- (2010). Simulation of Lake's sedimentary phosphorus balance governed by bioirrigation using reactive multicomponent transport modelling. In: Proceedings of XVIII International Conference on Water Resources CMWR 2010. Barcelona (Spain)
Hamann, E., Roskosch, A., Jordan, S., Hupfer, M., Lewandowski, J., Nuetzmann, G.
- (2010). The influence of macrozoobenthos in lake sediments on hydrodynamic transport processes and biogeochemical impacts. Dissertation, HU Berlin, 188 S.
Roskosch, A.
- (2010): Bioirrigation by Chironomus plumosus: advective flow investigated by particle image velocimetry. Journal of the North American Benthological Society 29, 789-802
Roskosch, A.; Morad, M. R.; Khalili, A.; Lewandowski, J.
- (2010): Identification of transport processes in bioirrigated muddy sediments by [18F]fluoride PET (Positron Emission Tomography). Applied Radiation and Isotopes 68,1094-1097
Roskosch, A.; Lewandowski, J.; Bergmann, R.; Wilke, F.; Brenner, W. & Buchert, R.
- (2010): Quantification of pumping rate of Chironomus plumosus larvae in natural burrows. Aquatic Ecology 44, 143-153
Morad, M. R.; Khalili, A.; Roskosch, A.; Lewandowski, J.
- (2011): Measurement techniques for quantification of bioirrigation-induced pumping of invertebrates in small burrows. Fundamental and Applied Limnology 178/2, 89-110
Roskosch, A.; Hupfer, M.; Nützmann, G. & Lewandowski, J.
