The influence of macrozoobenthos in lake sediments on hydrodynamic transport processes and biogeochemical impacts

• Main Author: Roskosch, Andrea
• Other Authors: Nützmann, Gunnar
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II 2011
• Subjects: Chironomus plumosus; Bioirrigation; Pumprate; Fließgeschwindigkeit; Sedimentmikrobiology; flow velocity; bioirrigation; pumping rate; sediment microbiology; 550 Geowissenschaften; 31 Geowissenschaften; RB 10363; RB 10492; ddc:550
• Online Access: http://edoc.hu-berlin.de/18452/17075; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:11-100197447; http://dx.doi.org/10.18452/16423

Ziel dieser Dissertation ist, Wissensdefizite im Bereich der Bioirrigation von Süßwassersedimenten abzubauen. Als Untersuchungsorganismus wurde Chironomus plumosus ausgewählt weil diese weit verbreitete Larve ihre U-förmigen Röhren mit Überstandswasser durchspült und so Nahrung aus dem Wasser filtriert. Um Bioirrigation in Wohnröhren mit einem Durchmesser von ca. 1,7 mm zu untersuchen, wurden geeignete Messmethoden entwickelt, mit denen für das 4. Larvenstadium die Parameter Fließgeschwindigkeit (14,9 mm/s), Pumpzeit (33 min/h) und Pumprate (61 ml/h) gemessen wurden. Bei einer Populationsdichte von 745 Larven/m2 kann somit ein Wasservolumen äquivalent zum Volumen des Müggelsee in Berlin, innerhalb von 5 Tagen durch das Sediment gepumpt werden. Die Positronen-Emissions-Tomographie wurde für die Sedimentanalytik adaptiert und der Transport im Porenwasser analysiert. Mit den Untersuchungen wure gezeigt, dass auch in schlammigen Seesedimenten ein advektiver Transport durch Bioirrigation verursacht wird, der nicht zu vernachlässigen ist. Steigende Temperaturen resultieren aufgrund steigender Fließgeschwindigkeit in einen signifikanten Anstieg der Pumprate sowie der Eintragsrate von Überstandswasser ins Sediment. Ein abfallender Sauerstoffgehalt verlängert die Pumpzeit und führt zu einer sinkenden Fließgeschwindigkeit. Außerdem wird aus den Untersuchungen eine jahreszeitliche Variabilität der Bioirrigation sichtbar, welche unabhängig von konstanten Laborbedingungen auftritt. Mit dem Wasserstrom werden Porenwasserspezies wie SRP in den Wasserkörper abtransportiert, wohingegen SO42- und O2 aus dem Überstandswasser in das Sediment eingetragen werden. Ferner kommt es zur Oxidation von Fe2+ infolgedessen Phosphat im Sediment festgelegt wird, wie mittels P-Fraktionierung gezeigt werden konnte. Mikrobiologische Untersuchungen zeigten, dass Bioirrigation die mikrobielle Abundanz steigert, die Bakteriengemeinschaft verändert und das Potential zur enzymatischen Hydrolyse erhöht. === The aim of this thesis is to fill gaps of knowledge regarding bioirrigation in freshwater sediments. Chironomus plumosus was chosen for the investigations since the filter-feeding larva dwelling in U-shaped burrows is quite common and flushes its burrow with water from the overlying water body. To investigate bioirrigation activity in burrows of approximately 1.7 mm in diameter appropriate measurement techniques were developed. With the methods several parameters were measured for 4th stage of larvae: flow velocity (14.9 mm s-1), pumping time (33 min h-1), and pumping rate (61 ml h-1). Consequently, a water volume equivalent to the volume of Lake Müggelsee in Berlin is pumped through the sediment every 5 days by a population density of 745 larvae m-2. The nuclear medicine imaging technique Positron Emissions Tomography was adapted and used to analyze the transport in the sediment pore water. By means of the experiments, it could be shown that even in muddy lake sediments advection is a relevant transport process and should not be neglected. Rising temperatures result in increased pumping rates and increased influx rates of surface water into the sediment due to increased flow velocities in the burrows. Dropping oxygen concentrations prolong the pumping duration while the flow velocity decreases. Furthermore, experiments show a seasonal variability of bioirrigation which is independent of constant laboratory conditions. Pore water species such as SRP are transported with the water flow into the overlying water body, whereas SO42- and O2 are transported from the overlying water into the sediment. Due to the oxidation of Fe2+, phosphorus is fixed into the sediment, a result confirmed by P-fractionation. Microbiological investigations of the burrow walls demonstrated that the bioirrigation activity enhances the microbial abundance, changes the community structure, and increases the potential of enzymatic hydrolysis.