Influence of bioturbation on sediment respiration in advection and diffusion dominated systems

Abstract

Ökosystem-Ingenieure sind Organismen, deren Auswirkung auf die Funktion von Ökosystemen im Vergleich zu ihrer Anzahl und Biomasse überproportional groß ist. Ein klassisches Beispiel für Ökosystem-Ingenieure sind grabende Organismen, deren Aktivitäten (Bioturbation) sowohl die Sedimentmatrix als auch das Porenwasser in aquatischen Sedimenten beeinflussen. Solche Tiere wirken auf eine große Anzahl von biogeochemischen Prozessen in benthischen Ökosystemen ein, unter anderem auf die aerobe Atmung (Respiration). Die Respiration aquatischer Sedimente umfasst häufig über 50 % der gesamten Respiration von aquatischen Systemen und spielt eine große Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der physikalischen Umwelt (Sedimenteigenschaften, am meistens hydraulischer Leitfähigkeit) auf die mikrobielle Respiration von Sedimenten, in denen Bioturbation durch Chironomidenlarven stattfindet. Um die Auswirkungen von Bioturbation auf Respiration zu messen und zu identifizieren, wurde eine neue Messmethode entwickelt (Kapitel 4.1). Kapitel 4.2 zeigt, dass der Einfluss von Bioturbation auf die Respiration des Sediments mit zunehmender Temperatur ansteigt. Kapitel 4.3 belegt, dass Resazurin auch für die Messung der Respiration in marinen Sedimenten geeignet ist. Kapitel 4.4 vergleicht und begutachtet die große Anzahl und Vielfalt hydrologischer, biogeochemischer und ökologischer Tracer einschließlich Resazurin. Die physikalische Umwelt (Sedimentmatrix) kontrolliert wie stark die Auswirkungen der Bioturbation auf die Respiration des Sedimentes sind. Dementsprechend liefert diese Doktorarbeit die Basis für das Verständnis der Auswirkungen benthischer Bioturbation auf Respiration und Kohlenstoffumsatz in limnischen und marinen Sedimenten.

Ecosystem engineers are organisms, whose impact on ecosystem functioning is disproportionally large compared to their abundance and biomass. A classic example of ecosystem engineers are burrowing organisms whose activities (bioturbation) affect the sediment matrix and pore solutes in aquatic sediments. Bioturbating animals are impacting on a number of biogeochemical processes in benthic ecosystems, including, among others, aerobic respiration. Respiration of aquatic sediments often comprises over 50% of the total respiration of aquatic systems, and plays a tremendous role in the global carbon cycle. The present thesis deals with the impacts of the physical environment (sediment characteristics, mainly hydraulic conductivity and grain fractions) on the (microbial) respiration of bioturbated sediments. In order to disentangle the effects of bioturbation on respiration, a novel measurement method has been developed (Chapter 4.1). Chapter 4.2 reveals that the impact of bioturbation on sediment respiration increases with increasing temperature. Chapter 4.3 shows that resazurin can also be used for the measurement of respiration in bioirrigated marine sediments. Chapter 4.4 reviews the large number and diversity of hydrological, biogeochemical and ecological tracers including resazurin. The present thesis shows that in sediments with low hydraulic conductivity (diffusion-dominated sediments) (Chapters 4.1,4.2) bioturbation is altering sediment respiration to a larger extent than in sediments with high hydraulic conductivity (advection-dominated sediment) (Chapter 4.3). The physical environment (sediment matrix) controls the intensity of the impacts of bioturbation on sediment respiration. Thus, this thesis provides a basis for understanding the impact of benthic bioturbators on respiration and carbon sequestering in freshwater and marine sediments.