Anaerobic oxidation of methane in marine sediments PDF
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Tina Treude Anaerobic oxidation of methane in marine sediments Anaerobic oxidation of methane in marine sediments Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften -Dr. rer. nat.- dem Fachbereich Biologie/Chemie der Universität Bremen vorgelegt von Tina Treude Bremen Dezember 2003 Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit vom Juli 2000 bis Dezember 2003 am Max-Planck- Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen angefertigt. 1. Gutachterin: Prof. Dr. Antje Boetius 2. Gutachter: Prof. Dr. Bo Barker Jørgensen Weitere Prüfer: Prof. Dr. Gunter Kirst Dr. Martin Krüger Tag des Promotionskolloquiums: 23. Januar 2004 Imagination is more important than knowledge ―Albert Einstein Diese Arbeit widme ich meinen Großeltern, Hanna und Richard Treude, die beide das Ende meiner Doktorarbeit nicht mehr miterleben konnten. Ich denke an Euch, wo immer ihr seid. Zusammenfassung Die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) ist ein mikrobieller Prozess in anoxischen marinen Sedimenten, bei dem im Gegensatz zur aeroben Methanoxidation Sulfat zur Oxidation des Methans verwendet wird. AOM wird nach heutigen Kenntnissen von einem mikrobiellen Konsortium aus methanotrophen Archaea und sulfatreduzierenden Bakterien durchgeführt. Untersuchungen der letzten 20 Jahre zeigen, dass AOM einen Austritt von Methan aus dem Meeresboden in die Wassersäule fast vollständig verhindert, und dieser Prozess damit für die geringe Methanemission der Ozeane verantwortlich sein könnte. Die Umsetzung von Methan mit Sulfat ist erst vor weniger als 30 Jahren entdeckt worden und ist bis heute nicht vollständig erklärt. Weltweit existieren nur relativ wenige Messungen von AOM in marinen Sedimenten. In der vorliegenden Arbeit wurde das Vorkommen und die Bedeutung von AOM in marinen Habitaten mit unterschiedlichen Methanflüssen untersucht. Zum anderen wurde die Steuerung von AOM in Sedimenten und mikrobiellen Matten ausgewählter Habitate durch verschiedene Umweltfaktoren untersucht. Die Untersuchungen zeigten Folgendes: 1. Am Hydratrücken vor Oregon, wo fossile Gase aufsteigen und Gashydrate sich im Oberflächensediment zersetzen, wurden einige der höchsten jemals gemessenen Umsatzraten von Methan (maximal 5 µmol cm-3 d-1) festgestellt. AOM und Sulfatreduktion zeigen ein Verhältnis von ca. 1:1. Die Oberflächen der Sedimente sind durch chemoautotrophe Bakterien und Muscheln besiedelt, welche das aus der AOM entstehende Sulfid als Energiequelle nutzen. Peripher zu diesen advektiven Stellen sind AOM Raten stark reduziert und kaum nachweisbar. Die AOM-Messungen am Hydratrücken zeigten, dass selbst bei höchsten Methanflüssen von ca. 200 mmol m-2 d-1 zwischen 50 und 90% des aufsteigenden Methans konsumiert wird, bevor es in die Wassersäule gelangt. Insgesamt zeichnet sich AOM in den Oberflächensedimenten des Hydratrückens durch eine extrem hohe Heterogenität aus, welche vermutlich durch ungleichmäßig aufsteigende Gase und Fluide, Carbonatausfällungen und Bioturbation hervorgerufen wird. 2. Die Sedimente der Eckernförder Bucht sind reich an Methan auf Grund hoher Raten rezenter Methanbildung im Organik-reichen Meeresboden. Die Methankonzentration übersteigt die Sättigungsgrenze von 6–7 mM, wodurch es zum Aufsteigen von Gasblasen kommt. Es konnte gezeigt werden, dass AOM in den oberen 20 cm des Sedimentes jahreszeitlichen Veränderungen unterworfen ist, welche durch die
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