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Electron transfer to and from peat particulate organic matter in ombrotrophic bogs: characterization and impact on carbon dioxide and methane concentrations

Applicant Sander Michael
Number 182645
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.10.2019 - 30.09.2023
Approved amount 573'433.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Geochemistry

Keywords (10)

carbon cycling; methanogenesis; quinone/hydroquinone chemistry; redox cycling; analytical electrochemistry; northern peatlands; anaerobic respitration; peat organic matter; electron transfer reactions; ombrotrophic bogs

Lay Summary (German)

Lead
Die Freisetzung von Methan aus Hochmooren ist kleiner als erwartet - weil der Torfboden in den Mooren wie ein Akku wiederholt geladen und entladen werden kann?
Lay summary

Hochmoore in nördlichen Breiten sind ein wichtiger Speicher im globalen Kohlenstoffkreislauf. Aufgrund der grossen Menge an gespeichertem Kohlenstoff ist es wichtig Prozesse zu verstehen, die zu einer Freisetzung des Kohlenstoffs aus Mooren in Form von Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre führen. Prozesse, die zur Freisetzung von Methan führen sind von besonderer Relevanz aufgrund der großen Klimawirksamkeit dieses Gases.

Methan kann als Endprodukt der mikrobiellen Zersetzung organischer Substanzen in den wassergesättigten Moorböden gebildet werden. Dieser Prozess ist jedoch energetisch ungünstig und wird daher unterdrückt, wenn Mikroorganismen die Möglichkeit haben, organische Substanzen auf energetisch günstigerem Weg zu zersetzen. Im letzteren Fall übertragen die Mikroorgansimen die bei der Zersetzung freiwerdenden Elektronen auf spezielle Substanzen, die diese Elektronen aufnehmen können: sogenannte Elektronenakzeptoren. Literaturstudien deuten darauf hin, dass es in Hochmooren einen bisher unentdeckten Elektronenakzeptor geben muss. Diese Vermutung basiert auf Messungen die zeigen, dass oftmals deutlich weniger Methan aus Moorböden freigesetzt wird, als man durch die Mengen bekannter Elektronenakzeptoren erklären kann. Wohin werden Elektronen möglicherweise noch übertragen?

Ziel des Projektes ist es zu untersuchen, ob nicht der Torf (der „Feststoff“ aus dem die Moore aufgebaut sind) dieser bisher unbekannte Elektronenakzeptor sein kann. Um diese Hypothese zu untersuchen, werden zwei Arten von Versuchen durchgeführt. Zum einen Versuche, die untersuchen, ob und wenn ja wie viele Elektronen auf den Torf übertragen werden können – sowohl von Mikroorganismen in den Mooren also auch bei chemischen Reaktionen unter kontrollierten Bedingungen im Labor. Zum anderen Versuche, die untersuchen, ob die Elektronen, die auf den Torf übertragen wurden, vom Torf anschließend an Sauerstoff abgegeben werden können. Dieser zweite Prozess kann in Mooren beispielsweise dann stattfinden, wenn während trockenen Perioden der Wasserspiegel in den Mooren sinkt. Dann dringt Luftsauerstoff von oben in die Hochmoore ein und trifft dort auf Torfmaterial, auf das Mikroorganismen unter vormals wassergesättigten Bedingungen Elektronen übertragen haben. Vereinfacht kann man sagen, es wird untersucht, inwieweit der Torf in den Mooren wie ein „Akku“ funktioniert: der Akku wird unter wassergesättigten Bedingungen durch Mikroorganismen geladen und dann anschließend mit Sauerstoff wieder entladen. Diese mögliche „Akkufunktion“ des Torfes wird sowohl in Laborversuchen als auch in Feldarbeiten direkt in schwedischen Hochmooren untersucht. Sollte Torf eine Akkufunktion haben, so ließe sich damit erklären, warum Moorböden oftmals weniger Methan freisetzen, als man sich vormals erklären konnte. Wir erwarten, dass das Berücksichtigen der Akkufunktion des Torfes zu einem besseren Verständnis führt, welche Methanmengen aus nördlichen Mooren in die Atmosphäre freigesetzt werden. 

Direct link to Lay Summary Last update: 30.08.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159692 Dissolved phenols in ombrotrophic bogs: occurrence and enzymatic transformations 01.01.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Northern peatlands, including rain-water fed ombrotrophic bogs, are a major pool in the global carbon cycle. Because of the significant amounts of stored carbon, it is critical to understand the processes that result in a release of carbon from northern peatlands to the atmosphere, both as carbon dioxide (CO2) and methane (CH4). Processes that control the emission of CH4 are of particular importance because of the large warming potential of CH4.Methane is formed under anoxic conditions in water-saturated parts of northern peatlands as the terminal energy-yielding step in organic matter decomposition. Methanogenesis is, however, suppressed through competitive substrate utilization by anaerobic respiration if thermodynamically more favorable terminal electron acceptors (TEAs) are available. Furthermore, such TEAs may also lower methane concentration by facilitating anaerobic oxidation of methane. We hypothesize that peat particulate organic matter (POM) is a critically important, heretofore poorly recognized, alternate TEA in intermittently anoxic parts of ombrotrophic bogs with low dissolved concentrations of canonical inorganic TEAs. Under anoxic conditions, the POM may accept electrons from anaerobic respiration, which leads to the previously recognized phenomenon of elevated CO2:CH4 concentration ratios. The electrons stored on the POM may be transferred to oxygen during re-occurring oxygenation events, thereby regenerating the capacity of the POM to accept electrons during subsequent anoxia. To test our hypothesis, we will conduct complementary laboratory experiments and field perturbation studies, employing novel analytical and methodological approaches that will overcome previous limitations and resulting knowledge gaps. To this end, we propose to work with POM material from and conduct field perturbation studies in two specific ombrotrophic bogs in Värmland, south central Sweden, which fulfill all project requirements. More specifically, we will (1) perform a systematic characterization of peat POM redox properties, (2) assess the role of peat dissolved organic matter (DOM) as ‘electron shuttle’ to and from POM, (3) link CO2 and CH4 dynamics in anoxic peat soil incubations to peat POM redox state, and (4) analyze redox states and reactivities of peat POM in situ in the field. Together, these points define the major objectives of the proposed research. To achieve the project goals, we seek funding for one PhD student (4 years) and one postdoctoral researcher (2 years). The successful completion of this work will advance fundamental insights into electron transfer to and from peat POM and its impact on concentration dynamics of CO2 and CH4 in ombrotrophic bogs. The generated results will help improve our understanding of bog biogeochemical redox processes and, ultimately, our capabilities to predict methane emissions from northern peatlands, both in the present climate and in a warmer future climate.
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