Positionsspezifische 15N-Signatur und delta18 O von N2 O aus der Denitrifikation in aquatischen Systemen und hydromorphen Böden als Indikatoren der Prozessdynamik
Final Report Abstract
Um das Potenzial der Isotopologensignaturen von N2O als Werkzeug zur Identifizierung des N2O-Umsatzes in denitrifikativen Systemen zu bewerten wurden Labor- , Freiland- und Modellierungsstudien zur Isotopenfraktionierung an Aquiferproben, aquatischen Sedimenten, Böden und Denitrifiziererkulturen durchgeführt. Untersucht wurden Variationsmuster der N2O-Isotopologensignaturen in verschiedenen aquatischen und hydromorphen Systemen, in denen der denitrifikative N2O-Umsatz eine wichtige Rolle spielt und die z.T. bedeutende N2O-Quellen darstellen, nämlich oberflächennahe Aquifere, Drainagewässer, eutrophierte küstennahe Meeresgewässer und Pflanzenkläranlagen. Es konnte bestätigt werden, dass eine große Streubreite von Signaturen mit ausgeprägter positiver Korrelation zwischen δ18O and SP typisch für wassergesättigte Systeme mit intensiver Denitrifikation und starker N2O–Reduktion ist. Für Abweichungen von diesem Muster war in einigen Fällen die Nitrifikation eine plausible Erklärung, während die Signaturen der Drainagewässer bisher nicht vollständig verstanden werden. Weiterhin wurde die Isotopenfraktionierung der Produktion und Reduktion von N2O in Laborstudien untersucht. Unsere Ergebnisse aus der Inkubation von bakteriellen Denitrifiziererreinkulturen bestätigen die zuvor angenommene Größenordnung der 15N- Positionspräferenz (SP) von bakteriell gebildetem N2O. Sie zeigen jedoch auch, dass die potentielle Streuung dieser Signatur innerhalb der Gemeinschaft der bakteriellen Denitrifizierer größer ist als bisher angenommen. Für die Bestimmung von Isotopenfraktionierungsfaktoren der N2O-Reduktion verwendeten wir einen neuen Ansatz, der für SP Übereinstimmung mit früheren Schätzwerten ergeben hat. Für die massenabhängigen Signaturen δ18O und δ15Nbulk konnten wir jedoch zeigen, dass die aus früheren Laborversuchen abgeleiteten Fraktionierungsfaktoren wegen eines inversen Diffusionseffekts nicht allgemein anwendbar sind. Schließlich wurde ein Simulationsmodell für die Isotopenfraktionierung beim N2O-Umsatz weiterentwickelt und für die Abschätzung der potentiellen Variationsbreite der Isotopie von N2O in Böden und aquatischen Systemen verwendet. Unter Berücksichtigung der Schätzfehler der Modellparameter wurde deutlich, dass eine Bestimmung von Prozessraten mittels inverser Modellierung nur mit eingeschränkter Genauigkeit möglich sein wird. Dies wurde durch erste Versuche zur Modellvalidierung bestätigt. Für eine robuste Quantifizierung von Prozessraten muss die Parameterschätzung daher noch deutlich verbessert werden. Abweichungen der Freiland- und Laborbeobachtungen von Modellergebnissen erklären wir z.T. mit räumlicher Heterogenität der Prozesse. Von der Berücksichtigung dieses Aspekts in künftigen Studien werden Fortschritte für das Verständnis der Regelung der N2O-Isotopie erwartet. Letzteres ist eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Verwendung der N2O-Isotopie zur Erkennung und Quantifizierung von Prozessen. Insgesamt lieferte das vorliegende Projekt wichtige Fortschritte im Hinblick auf die Prozessuntersuchung anhand von N2O-Isotopensignaturen. Eine Quantifizierung der Denitrifikation ist auf der Basis der bisherigen Ergebnisse jedoch noch nicht befriedigend möglich. Hierzu ist es erforderlich, die Bestimmung der weiteren Regelfaktoren der N2O- Isotopie zu verbessern. Dies ist Gegenstand eines durch die DFG geförderten Folgeprojekts an unserem Institut.
