title: Interactions between dissolved organic matter (DOM) and bacteria in a river-floodplain system
Creators: name: Sieczko, Anna Katarzyna
Publisher: name: :none
Year: 2016

description: Fluss-Auen-Systeme gehören zu den vielfältigsten und produktivsten Ökosystemen der Erde. Starke hydrologische Stochastizität, die wiederkehrende Änderungen in lentischen und lotischen Lebensräumen ermöglicht, ist die treibende Kraft in diesen Ökosystemen. Daher haben periodische Überschwemmungen erhebliche Folgen für das Funktionieren von Fluss-Auen. Aufgrund längerer Verweilzeit von Wasser in Fluss-Auen wirken diese auch als biogeochemische “Hot Spots”, was ihre wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf hervorhebt. Trotz ihrer ökologischen Bedeutung wurde ein Grossteil der Fluss-Auen, vor allem in Europa, durch den Menschen erheblich verändert, was Folgen für den Kreislauf von organischem Material hat. Daher ist es wichtig die Auswirkungen von hydrologischen Veränderungen und den Einflusses des Menschen auf die Funktionalität von Fluss-Auen zu verstehen. In meiner Doktorarbeit konzentrierte ich mich auf die Rolle der Hydrologie als wichtiger Einflussfaktor auf die Zusammensetzung des DOM-Pools (gelöstes organisches Material) sowie der mikrobiellen Verarbeitung von DOM in verschiedenen Subsystemen von Fluss-Auen. Mein Ziel war es auch, die Rolle von Fluss-Auen im Kohlenstoffkreislauf und ihre Bedeutung als CH4-Quelle zu erforschen. Ich habe zwei verschiedene, sich ergänzende Ansätze gewählt, um Veränderungen der DOM-Qualität in diesen Systemen zu studieren. Durch spektroskopische Messungen habe ich herausgefunden, dass Überschwemmungen die DOM-Qualität erheblich verändern und terrestrisches, aromatisches DOM zum C-Pool hinzugefügt wird. Durch die Messung von extrazellulären enzymatischen Aktivitäten habe ich entdeckt, dass durch Überschwemmungen auch bioverfügbares DOM, welches relativ schnell durch Bakterien abgebaut werden kann, in die Fluss-Auen importiert wird. Daher können Messungen der extrazellulären Enzymaktivitäten verwendet werden, um die Verfügbarkeit von nicht-chromophorem DOM während schneller hydrologischer Veränderungen zu verfolgen, die nicht erfassbar sind, wenn nur traditionelle spektroskopische Messungen eingesetzt werden. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt lag auf der Periode direkt nach einer Überschwemmung, in der potenziell weniger reaktives, terrestrisches DOM in den Fluss-Auen umgesetzt werden könnte. Dies unterstreicht die Bedeutung von Überschwemmungswasser für die Verarbeitung von refraktärem, schwer abbaubaren, DOM (RDOM). Erhöhte Aktivität von RDOM-abbauenden Enzymen wurde in der Gegenwart von frischem, labilen DOM, welches unmittelbar von der Primärproduktion stammt, beobachtet. Daher war ein weiteres Forschungsziel die Enzym-Reaktionen auf phototrophe extrazelluläre Freisetzung von organischem Material in verschiedenen Subsystemen der Fluss-Auen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass Enzym-Messungen ein wertvolles Werkzeug sind, um die Interaktion zwischen nicht-chromophorem, von Primärproduzenten stammenden DOM und der bakteriellen Sekundärproduktion zu erfassen. Ich konnte zeigen, dass selbst in benachbarten Gewässern mit unterschiedlicher Konnektivität die bakterielle Sekundärproduktion durch DOM aus verschiedenen Quellen angetrieben wurde. Ich habe gezeigt, dass in einem abgetrennten Abschnitt der Fluss-Au, mit hoher Konzentration an terrestrischem DOM, eher frisches und labiles DOM die bakterielle Sekundärproduktion unterstützt hat. Ich konnte des Weiteren zeigen, dass die Art und das Ausmaß der hydrologischen Vernetzung, erhebliche Konsequenzen für die Dynamik von CH4 haben. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass abgetrennte Subsysteme der Fluss-Auen die stärksten Quellen von CH4 sind. Hingegen, wenn Oberflächenverbindung zwischen den Subsystemen bestand, diente der Fluss als eine Art “Auspuff” für die Weiterleitung von CH4, welches in sehr isolierten Lebensräumen produziert wurde. Zusätzlich wurde die Intensität der Überschwemmung als wichtiger Faktor identifiziert, welcher die CH4-Dynamik signifikant beeinflußt. Meine Ergebnisse tragen wesentlich zum derzeitigen Kenntnisstand bezüglich der Interaktionen zwischen DOM und Bakterien in Fluss-Auensystem bei und betonen die entscheidende Rolle der Hydrologie in diesen Ökosystemen. Sie dauten darauf hin, dass die laufende Abschottung von Subsystemen im Zuge von Regulierungsmaßnahmen nicht nur direkte Folgen für die Auen haben wird, sondern auch generell für den Kohlenstoffkreislauf in Flüssen.
description: River-floodplain systems are among the most diverse and productive ecosystems on earth. High hydrological stochasticity, which allows for recurrent changes from lentic to lotic habitats, is the main driving force in these systems. Hence, periodical floods have major consequences for functioning of river-floodplains. Due to prolonged residence time of water, river-floodplains also act as biogeochemical hot spots, what highlights their considerable role in the inland water carbon cycle. Despite their importance the majority of river-floodplains, especially in Europe, have been significantly altered by human activity, what carries consequences for DOM cycling. Hence studying the hydrological changes and the effect of human impact is essential to understand functioning of these systems. In my Doctoral thesis I focused on the role of hydrology as a key aspect shaping composition of the DOM pool and microbial DOM processing in different subsystems of the river-floodplain system. My aim was also to highlight the role of river-floodplains in inland water C flux and their significance as a source of CH4. I applied two different, but complementary approaches to study changes in DOM quality. With spectroscopic measurements, I identified that flooding altered DOM quality significantly and introduced allochthonous, refractory and aromatic DOM. However with the application of extracellular enzymatic activity (EEA) measurements, I discovered that flood-imported DOM was bioavailable and could be utilized relative quickly. I propose that EEA measurements can be used as a tool to track availability of non-chromophoric DOM during prompt hydrological changes, which otherwise would be overlooked when using only traditional spectroscopic measurements. Another focus was on the post-flood period, which created opportunity to utilize less reactive, terrestrial DOM delivered to the floodplain. This highlights the significance of floodplain waters for processing refractory DOM (RDOM). Enhanced activity of enzymes degrading RDOM was enabled in the presence of fresh labile material derived from primary production. Thus, another aim was to investigate the EEA response to photosynthetic extracellular release (PER) in different subsystems. The results demonstrated that EEA measurement is a valuable tool to elucidate the link between non-chromophoric, algal-derived DOM and bacterial secondary production (BSP). I demonstrated that even in closely located waters, but with different connectivity, BSP was fueled by DOM derived from distinct sources. I revealed that in a disconnected section with high allochthonous load, autochthonous sources supported BSP. Furthermore I showed that the type and magnitude of hydrological connectivity carried major consequences for dynamics of CH4. The results pointed to disconnected subsystems as the strongest sources of CH4 in the river-floodplain. However during surface connection the river served as an “exhaust pipe” for the CH4, produced in highly isolated habitats. Additionally, the magnitude of the flood was identified as factor, which affected CH4 fluxes significantly. My findings contribute to the current knowledge on DOM-microbial interactions in temperate river-floodplain systems and emphasize the crucial role of hydrology. They also suggest that ongoing disconnection of these systems will have consequences not only for the floodplain, but also for the river carbon cycle.