Projekt

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Predicting organic matter mineralization in sediments during lake re-oligotrophication

Gesuchsteller/in Müller Beat
Nummer 146234
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Eawag
Hochschule Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz - EAWAG
Hauptdisziplin Geochemie
Beginn/Ende 01.05.2013 - 30.04.2017
Bewilligter Betrag 325'361.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Geochemie
Hydrologie, Limnologie, Glaziologie

Keywords (5)

diffusive-reactive model; lake sediments; organic matter mineralization; hypoxia; sediment porewater

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Die Mineralisierung von sedimentiertem organischem Material in ehemals nährstoffreichen Seen
Lay summary

Seit über 30 Jahren werden grösste Anstrengungen unternommen, um die Phosphatfrachten zu den Seen zu beschränken, um Algenwachstum und Fischsterben zu verhindern, bisher recht erfolgreich. Allerdings beobachten wir, dass die Sauerstoffzehrung in den tieferen Zonen der Seen trotz grosser Reduktion der Phosphat-Konzentrationen völlig unverändert blieb. Bisher gibt es keine einfach anwendbare Theorie, mit welcher die Phosphat-Konzentrationen im See mit seinem Sauerstoffhaushalt in Verbindung gebracht werden kann.

 

Erst kürzlich haben wir die langjährigen Monitoring Datensets von 20 Schweizer Seen ausgewertet. Dabei gelang es uns, die Sauerstoffzehrung im Tiefenwasser von Seen mit zwei Prozessen in Verbindung zu bringen: Einerseits die Zehrung an der Sedimentoberfläche durch frisch sedimentiertes organisches Material, andererseits die Zehrung durch reduzierte Substanzen, welche aus dem Sediment diffundieren. Erstmals haben wir damit eine klare und überprüfbare Hypothese, auf welche Weise der Sauerstoff in Seen aufgezehrt wird und welche Prozesse dabei kontrollierend wirken.

 

Mit dem aktuellen SNF-Projekt beabsichtigen wir, anhand von Untersuchungen in zwei Seen mit sehr gegensätzlicher Nährstoff-Vergangenheit, dem Baldegger- und dem Ägerisee, die Flüsse von reduzierten Substanzen, welche noch Sauerstoff zehren, aus den Sedimenten in verschiedenen Tiefen und zu verschiedenen Jahreszeiten zu messen. Die resultierenden Raten werden zur Abbaubarkeit von organischem Material und dessen Zusammensetzung in Beziehung setzen. Zur Überprüfung der Plausibilität und der Kontrolle der entscheidenden Steuergrössen werden wir die Ergebnisse in einem eindimensionalen Modell zusammenfassen, welches Transport der Stoffe im Sediment sowie die stattfindenden Reaktionen berücksichtigt.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 08.04.2013

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
A novel method to quantify bioavailable elements and mobile ATP on rock surfaces and lichens
Torres Natascha N., Chwalek Thomas, Droz-Georget Helen, Müller Beat, Brand Helmut, Hauser Peter C., Furrer Gerhard (2016), A novel method to quantify bioavailable elements and mobile ATP on rock surfaces and lichens, in Geosciences, 2(3), 245-258.
Thermostatted dual-channel portable capillary electrophoresis instrument
Israel Joel Koenka, Nina Küng, Pavel Kuban, Thomas Chwalek, Gerhard Furrer, Bernhard Wehrli, Beat Müller, Peter C. Hauser (2016), Thermostatted dual-channel portable capillary electrophoresis instrument, in Electrophoresis, 37, 2368-2375.
Micro-injector for capillary electrophoresis
Jorge Saiz, Israel Joel Koenka, Carmen Garcia-Ruiz, Beat Müller, Thomas Chwalek, Peter C. Hauser (2015), Micro-injector for capillary electrophoresis, in Electrophoresis, 36, 1941-1944.
Organic carbon mass accumulation rate regulates the flux of reduced substances from the sediments of deep lakes
Steinsberger Thomas, Schmid Martin, Wüest Alfred, Schwefel Robert, Wehrli Bernhard, Müller Beat, Organic carbon mass accumulation rate regulates the flux of reduced substances from the sediments of deep lakes, in Biogeosciences Discuss..

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
European Geosciences Union Meeting Poster Oxygen depletion in a large perialpine lake 17.04.2017 Vienna, Österreich Müller Beat; Chwalek Thomas Mattias;
Goldschmidt Conference Vortrag im Rahmen einer Tagung Organic carbon mass accumulation rate regulates the flux of reduced substances from the sediments of deep lakes 15.08.2016 Paris, Frankreich Chwalek Thomas Mattias; Müller Beat; Schmid Martin;
ASLO Summer Meeting Vortrag im Rahmen einer Tagung What determines the flux of reduced substances from lake sediments? 20.06.2016 Santa Fe, Vereinigte Staaten von Amerika Schmid Martin; Müller Beat; Chwalek Thomas Mattias;
IBP Congress Poster What determines the flux of reduced substances from lake sediments? 18.04.2016 Zurich, Schweiz Müller Beat; Schmid Martin; Chwalek Thomas Mattias;
European Geosciences Union Meeting Poster Hypolimnetic oxygen depletion and dynamics of P binding forms: insights from modeling sediment early diagenesis coupled with automatic parameter estimation 14.04.2014 Vienna, Österreich Müller Beat; Schmid Martin; Chwalek Thomas Mattias;
Goldschmidt Conference Poster Drop on Stone: A new tool for the quantification of bioavailable elements on rock surfaces 19.08.2013 Florence, Italien Chwalek Thomas Mattias; Müller Beat;


Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
165517 Oxygen depletion in a deep perialpine lake 01.07.2016 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

The major aim of this project is quantifying and understanding time and space dependent benthic diffusion of reduced substances (methane, ammonium, reduced iron and manganese, and sulphide) from lake sediments by extensive field observations, data analysis and the further development and application of a diffusive-reactive sediment model.Costly efforts on lake remediation such as advanced sewage treatment, ban of phosphate (P) in detergents, or reduction of diffuse nutrient loads from agriculture proved successful in preventing algal blooms and fish kills. Astonishingly the consumption of O2 in lake hypolimnia has remained tenaciously unchanged. A sound and generally applicable hypothesis relating areal hypolimnetic mineralization rate (AHM) to lake total P is not yet available. Recently Müller et al. [2012a] analysed a monitoring datasets from 20 Swiss lakes consisting of more than 50’000 O2 measurements, and related their hypolimnetic O2 consumption to only two processes: Mineralization of settled organic matter (OM) at the sediment surface, and oxidation of reduced substances diffusing from their sediment. Their model provides for the first time a conceptual interpretation of the areal hypolimnetic mineralization rate (AHM) of lakes developing an excessive O2 demand during summer stratification, and requires confirmation. Surprisingly, they reported very similar benthic fluxes of reduced substances in two lakes with distinctly different eutrophication histories. This observation asks for about a thorough assessment of the forces driving the fluxes of dissolved reduced substances. Obviously, porewater fluxes of reduced compounds are indicative for the sedimentary mineralization rate of OM, depending on the quality of OM and its exposure to various electron acceptors. However, spatial and temporal variation in OM degradation and porewater fluxes has not yet been systematically examined in lakes of different trophic states. This project intends to (i) determine benthic fluxes of reduced substances in two lakes of different trophic states (Lakes Aegeri and Baldegg) at various depths and seasons, and (ii) relate observed fluxes to the degradability of OM, burial rate, and stoichiometry of settling seston.An existing one-dimensional sediment model [Dittrich et al., 2009] taking into account benthic diffusive transport processes and biogeochemical reactions, will be adapted to elucidate the pathways of benthic OM degradation and the resulting benthic fluxes of reduced compounds as a function of temperature, benthic O2, NO3- and SO42- concentrations, as well as the sedimentation rate and quality of autochthonous as well as allochthonous inorganic and organic matter. In summary, this project will 1)provide results on depth dependent pathways and velocities of benthic OM cycling in two lakes of different trophic states,2)result in an improved qualitative and quantitative understanding of the benthic OM cycling in lakes, 3)lead to a conceptual dynamic model, simulating benthic oxygen consumption as a function of the actual and past inputs of OM and the availability of electron acceptors to the sediment, and hence 4)allow predicting the delayed decrease of benthic oxygen consumption after reduction of a lake’s primary production in aerated and non-aerated lakes.
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