title: Can chironomid larvae trigger the formation of vivianite in lake sediments?
Creators: name: Engl, Dorothea Elisa
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Die Eutrophierung von Seen, hervorgerufen durch die Anreicherung von Phosphor und Stickstoff aus anthropogenen Quellen, stellt weiterhin eine erhebliche Herausforderung für Süßwasserökosysteme weltweit dar. Phosphor spielt hierbei eine entscheidende Rolle, da es als limitierender Faktor für das Wachstum von Phytoplankton fungiert und somit den trophischen Zustand eines Sees maßgeblich beeinflusst. Trotz gezielter Maßnahmen zur Reduzierung der Nährstoffeinträge erweist sich die Umkehrung der Eutrophierung aufgrund der lang anhaltenden Präsenz von Phosphor im System als langwieriger Prozess. Die nachhaltige Bewirtschaftung von Seen erfordert daher einen integrativen Ansatz, um die Wasserqualität zu sichern und das ökologische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Die Freisetzung von Phosphor aus Seesedimenten steht in engem Zusammenhang mit den vorherrschenden Redoxbedingungen und beeinflusst maßgeblich den Eisen- und Schwefelkreislauf. Diese Studie untersucht die Rolle von Chironomidenlarven bei der Modifikation der Sedimentchemie und des Nährstoffkreislaufs in eutrophen Seen, mit einem besonderen Fokus auf die Bildung von Vivianit, einem Eisen-Phosphor-Mineral. Die Vivianitbildung könnte den Phosphorhaushalt in Seen direkt beeinflussen, insbesondere durch die langfristige Retention von Phosphor in den oberen Sedimentschichten, die in direktem Austausch mit dem überliegenden Wasser stehen und nach der Entstehung thermodynamisch stabil bleiben. Röhrenbewohnende Chironomidenlarven, die in den oberen Sedimentschichten leben, sind von besonderer Bedeutung, da sie schwankende Redoxbedingungen erzeugen. Ihre Bewegungen fördern den Transport von Nährstoffen und Sauerstoff in ihre Röhren und beeinflussen dadurch die Phosphorbindung im Sediment. Die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Chironomidenlarven unter bestimmten Bedingungen tatsächlich die Bildung von Vivianit initiieren können. Ein zentraler Faktor ist dabei die durch bioturbative Aktivität vergrößerte oxidierte Sedimentoberfläche, die die Anreicherung von Phosphor und Eisen in Form von Eisenoxyhydroxidphosphaten ermöglicht. Nach dem Tod oder Schlüpfen der Larven können sich anaerobe Bedingungen wieder einstellen, welche die Reduktion von Eisen(III) zu Eisen(II) begünstigen und in Gegenwart von Phosphor zur Vivianitbildung führen können. Niedrige Sulfidkonzentrationen verhindern dabei die Bildung von Eisensulfiden, wodurch ausreichend Eisen(II) für die Vivianitbildung verfügbar bleibt. Allerdings zeigte sich, dass das Verhältnis von Eisen zu Phosphor und Eisen zu Schwefel allein nicht ausreicht, um die Vivianitbildung zuverlässig vorherzusagen. Im Sediment des Müggelsees, das moderate Konzentrationen von Eisen und Phosphor bei niedrigem Schwefelgehalt aufweist, konnte Vivianitbildung nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu führten die Sedimente des Arendsees, die niedrige Konzentrationen von Eisen und Phosphor, aber hohe Schwefelgehalte aufwiesen, nicht zur Vivianitbildung. Überraschenderweise wurde in den Sedimenten des Müggelsees, die zu Beginn des Exiv periments künstlich mit Eisen und Phosphor angereichert wurden, keine Vivianitbildung beobachtet, was auf die Komplexität der beteiligten Faktoren hinweist und ein tieferes Verständnis der Bedingungen zur Vivianitbildung erfordert. Die wissenschaftliche Bedeutung der Untersuchung, ob Chironomidenlarven die Vivianitbildung in Seesedimenten fördern können, liegt in ihren potenziellen Auswirkungen auf die Wasserqualität und das Management aquatischer Ökosysteme. Die Vivianitbildung bietet eine potenzielle natürliche Methode zur Sanierung eutrophierter Gewässer, indem sie Phosphor langfristig in den Sedimenten bindet und somit eine nachhaltige Kontrolle der Phosphorfreisetzung ermöglicht. Ein besseres Verständnis der Rolle von Chironomidenlarven bei der Beeinflussung von Redoxbedingungen und Phosphorbindung könnte entscheidend für die Optimierung dieser Methoden sein. Insgesamt liefert diese Forschung wichtige Erkenntnisse für umweltfreundliche Ansätze im Management aquatischer Ökosysteme und zur Bewältigung von Herausforderungen der Wasserqualität.
description: This master’s thesis investigates the role of tube-dwelling chironomid larvae in vivianite formation in lake sediments, with a particular focus on their impact on phosphorus binding and redox dynamics. Eutrophication of lakes, driven by phosphorus and nitrogen enrichment from human activities, remains a significant challenge for freshwater ecosystems. Phosphorus limits phytoplankton growth and significantly affects the trophic state of lakes. Despite nutrient reduction efforts, reversing eutrophication remains complex due to persistent phosphorus binding. This study analyzes how chironomid larvae alter sediment chemistry and nutrient cycling in eutrophic lakes, particularly by forming vivianite, an iron-phosphorus mineral. Chironomid larvae, residing in the upper sediment layers, create fluctuating redox conditions that influence nutrient and oxygen transport, thereby affecting phosphorus binding. The findings indicate that chironomid larvae can initiate vivianite formation under certain conditions by enlarging the oxidized sediment surface and facilitating phosphorus and iron retention. Anaerobic conditions following the death of larvae promote the reduction of iron(III) to iron(II) and thus vivianite formation, especially when sulfide concentrations are low. Vivianite formation was observed in sediments from Lake Müggelsee, which has moderate concentrations of iron and phosphorus with low sulfur content. In contrast, sediments from Lake Arendsee, characterized by low iron and phosphorus concentrations but high sulfur levels, did not lead to vivianite formation. Interestingly, vivianite was not formed in sediments from Lake Müggelsee that were artificially enriched with iron and phosphorus, highlighting the complexity of the conditions required for vivianite formation. This research provides significant insights into phosphorus binding mechanisms and offers a foundation for future studies on sediment biogeochemistry and nutrient cycling in eutrophic waters. Understanding whether chironomid larvae can promote vivianite formation in lake sediments has important implications for water quality and aquatic ecosystem management. Vivianite formation presents a potential natural method for remediating eutrophic waters by sequestering phosphorus in sediments, thus enabling sustainable phosphorus release control. Improved knowledge of chironomid larvae’s role in influencing redox conditions and phosphorus binding could be crucial for optimizing these methods.