Linking Carbon Dynamics in Stream Ecosystems to Dissolved Organic Matter Quality

Abstract

Stream ecosystems form an active component of the carbon (C) cycle, and are identified as “hotspots” for carbon dioxide (CO2) emissions. However, the mechanisms driving CO2 emissions from streams are not completely understood. Beside the input of C in the form of CO2 from groundwater, streams receive organic matter from aquatic and terrestrial origins which is partly mineralized to inorganic nutrients and CO2. Future predictions suggest enhanced input of terrestrial organic matter into streams. As such, surrounding land use may highly influence dissolved organic matter (DOM) composition and turnover in streams. The quality, i.e. bioavailability or lability, of aquatic and terrestrial organic matter, as well as which quality feature provides which bioavailability, is controversially discussed and the research is still in its infancy. Thus, the main goal of my thesis is to enhance the understanding of the role of organic matter quality as a potential driver for organic matter turnover in stream ecosystems. A further goal is to shed light on C dynamics with main focus on CO2 of streams surrounded by different land use. The presented work is based on an experimental approach in the laboratory, supported by seasonal field studies and a developed model in order to explore C dynamics and the corresponding drivers in stream ecosystems. The underlying mechanisms and the importance of DOM quality as a main driver was assessed on the small scale in laboratory experiments. The C emissions from streams were quantified and the influence of DOM quality was examined on a stream reach scale by investigating two stream types with different organic matter quality inputs. By developing a process-based model, the understanding of the daily and seasonal scale of C turnover in stream ecosystems was amplified. The results from the experiment under controlled conditions demonstrate that DOM quality governs microbial metabolism (i.e. respiration and bacterial protein production). Moreover, I revealed significant quality differences between two terrestrial DOM sources, while respiration and bacterial protein production increased with the available proportion of the labile DOM source. The molecular weight of DOM was the strongest predictor of bacterial protein production and respiration, while among others, the concentration of low molecular weight substances was another highly influential predictor. The importance of molecular size/weight and DOM quality for microbial metabolism was further confirmed on the stream reach scale where we demonstrated among others a significant linkage between molecular size of DOM and pCO2 across agricultural and forest streams. Moreover, agricultural streams contained significantly higher pCO2 compared to forest streams during all seasons. However, CO2 emissions measured with the powerful drifting chamber method were not significantly different between the stream types. Modeled dissolved oxygen (O2) and CO2 dynamics calibrated with field data resulted in respiratory quotients (RQ = mole of CO2 produced per mole of O2 consumed), which are intimately linked to the elemental composition of the respired compounds across four seasons and two stream types. RQ values were not related to adjacent land use or season. Nevertheless, I found significant relationships between RQ values and DOM quality indicators, such as fluorescing component characteristic for higher plant material and molecule size of DOM in agricultural streams. In conclusion, this thesis demonstrates that DOM quality is an important driver for organic matter turnover in streams. Consequently, my results indicate that ongoing and future land use change and enhanced terrestrial DOM input into streams may influence CO2 emissions, and underline the status of streams as C turnover “hotspots”. Thus, my thesis contributes to the mechanistic understanding of organic matter cycling in stream ecosystems and their role in the regional and global C cycle. Therefore, organic matter quality should be considered in future models and studies with respect to C cycling.

Bäche und Flüsse stellen eine aktive Komponente des Kohlenstoffkreislaufes dar und wurden als „Hotspots“ für Kohlendioxid (CO2) Emissionen identifiziert. Die Mechanismen, welche die CO2 Emissionen aus Bächen steuern, sind bisher aber noch nicht vollständig verstanden. Zusätzlich zum Grundwassereintrag von Kohlenstoff in Form von CO2, wird in Bäche organisches Material aquatischen und terrestrischen Ursprungs eingetragen, welches teilweise zu anorganischen Nährstoffen und CO2 mineralisiert wird. Studien weisen auf einen derzeitig erhöhten Eintrag von terrestrischem organischem Material in Bächen hin, der in naher Zukunft weiter ansteigen soll. Es ist daher zu vermuten, dass die Landnutzung in der unmittelbaren Umgebung der Bäche, die Zusammensetzung und Umsetzung des gelösten organischen Materials in den Bächen stark beeinflusst. Die Qualität des organischen Materials aquatischer und terrestrischer Herkunft, also die Bioverfügbarkeit oder Labilität, sowie welches Qualitätsmerkmal welchen Grad an Bioverfügbarkeit darstellt, wird bisher noch kontrovers diskutiert. Die Forschung zu diesen Aspekten befindet sich noch am Anfang. Daher ist das Hauptziel meiner Doktorarbeit, das Verständnis zur Rolle der Qualität des organischen Materials als potentiell kontrollierenden Faktor für die Umsetzung von organischem Material in Bachökosystemen, zu erhöhen. Ein weiteres Ziel ist es, die Kohlenstoffdynamik, hauptsächlich CO2 Dynamiken, in verschiedenen Bächen mit unterschiedlichen Einflüssen durch die umgebende Landnutzung näher zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit basiert dabei auf einem experimentellen Ansatz im Labor, ergänzt durch saisonale Feldstudien und der Entwicklung eines Models, um Kohlenstoffdynamiken sowie deren entsprechende kontrollierenden Mechanismen in Bachökosystemen zu untersuchen. Die Mechanismen und die Bedeutung der Qualität des gelösten organischen Materials als Einflussfaktor wurden im kleinen Maßstab untersucht. In einem Vergleich zweier Bachtypen mit unterschiedlichen Einträgen von organischem Material auf Bach-Abschnitts Ebene, wurden Kohlenstoffemissionen quantifiziert sowie der Einfluss der Qualität des organischen Materials untersucht. Die Entwicklung eines prozessbasierten Modells, ermöglichte ein besseres Verständnis der Kohlenstoffumsätze in Bachökosystemen auf täglicher und jahreszeitlicher Ebene. Die Ergebnisse aus dem Experiment mit kontrollierten Bedingungen zeigen, dass die Qualität des gelösten organischen Materials den mikrobiellen Metabolismus, also Atmung und bakterielle Produktion, reguliert. Darüber hinaus konnte ich erhebliche Qualitätsunterschiede zwischen zwei gelösten organischen Kohlenstoffquellen terrestrischer Herkunft aufzeigen. Die Intensität der Respiration und bakteriellen Produktion nahm dabei mit dem verfügbaren Anteil an labilem gelöstem organischen Material zu. Das Molekulargewicht des gelösten organischen Materials war der stärkste Einflussfaktor für die Respiration und bakterielle Produktion. Die Konzentration der niedermolekularen Substanzen stellte einen weiteren sehr einflussreichen Faktor dar. Die Bedeutung von Molekülgrösse/-gewicht des gelösten organischen Materials und dessen Qualität für den mikrobiellen Metabolismus wurde in der Feldstudie bestätigt. Dort habe ich unter anderem auch einen signifikanten Zusammenhang zwischen der Molekülgrösse des gelösten organischen Materials und dem Partialdruck von CO2 gefunden, der sich unabhängig von der umgebenden Landnutzung (Landwirtschaft oder Wald) gezeigt hat. Des Weiteren wiesen landwirtschaftliche Bäche im Vergleich zu Waldbächen signifikant höhere CO2 Partialdrücke zu allen Jahreszeiten auf. Im Gegensatz dazu zeigten die CO2 Emissionen, gemessen mit der zuverlässigen Methode der driftenden Kammer, keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Bachtypen. Modellierte Dynamiken von gelöstem Sauerstoff und CO2, die mit Felddaten kalibriert wurden, resultierten in Respirationsquotienten (RQ = Verhältnis von Mol CO2 produziert per Mol Sauerstoff konsumiert), welche eng mit der Elementarzusammensetzung der respirierten Komponenten zusammenhängen, in zwei Bachtypen (Landwirtschaft und Wald) zu allen vier Jahreszeiten. Die RQ-Werte zeigten jedoch keinen Zusammenhang mit angrenzender Landnutzung oder der Jahreszeit. Ich konnte dennoch signifikante Zusammenhänge zwischen RQ- Werten und einigen Qualitätsindikatoren von gelöstem organischen Material, wie zum Beispiel einer Fluoreszenz-Komponente, welche für höhere Pflanzen charakteristisch ist oder der Molekülgrösse vom gelösten organischen Material in landwirtschaftlichen Bächen, nachweisen. Abschließend lässt sich sagen, dass meine Arbeiten die Rolle der Qualität des gelösten organischen Materials als wichtigen Einflussfaktor für die Kohlenstoffumsätze innerhalb von Bächen hervorheben. Meine Arbeiten zeigen, dass die derzeitigen und zukünftigen Landnutzungsänderungen und die erhöhten Einträge terrestrischen Materials einen großen Einfluss auf die CO2 Emissionen darstellen können. Die Rolle der Bäche als „Hotspots“ von Kohlenstoffumsätzen konnte in meinen Untersuchungen bestätigt werden. Meine Dissertation trägt daher zu einem besseren mechanistischen Verständnis dieser Umsätze und der Rolle der Bäche in regionalen und globalen Kohlenstoffkreisläufen bei. Folglich sollte die Qualität des eingetragenen Materials in zukünftigen Modellen und Untersuchungen zum Kohlenstoffkreislauf berücksichtigt werden.