title: Drivers of Carbon and Oxygen sources and sinks in standing water bodies: A case study of the Rappbode Reservoir, Germany
Creators: name: Dordoni, Marlene
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 0
Subjects: subject: Oxygen isotopes
subject: Dissolved oxygen
subject: Dissolved inorganic carbon
subject: Dissolved organic carbon
subject: Particulate organic carbon
subject: Carbon isotopes
subject: Cyanobacteria
subject: Metalimnetic Oxygen Minimum
subject: Drinking water reservoir
subject: Laboratory experiment
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 55 Geowissenschaften, Geologie :: 551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie

description: Global warming and land use changes exert environmental strains on terrestrial aquatic ecosystems. This has consequences on metabolic balances of water bodies that primarily depend on dissolved oxygen (DO) and dissolved inorganic carbon (DIC) because these phases are involved in photosynthesis and respiration. DO concentrations are usually inversely proportional to temperature. With global warming this implies that future O2 fluxes from the atmosphere to open water systems might be lower. Global warming also enhances phytoplankton growth and can favour the growth of harmful cyanobacteria. For instance, in the last two decades the cyanobacterium Planktothrix rubescens prospered likely due to rising temperatures and changes of land use with altered nutrient inputs. Blooms of this species preferentially occur in the metalimnion of lentic water bodies and are well-known for the release of hepatotoxins. They have also been linked to the so-called Metalimnetic Oxygen Minimim (MOM), a phenomenon characterized by an abrupt decrease in DO. This thesis reports metabolic equilibria as well as causes of MOM in the Rappbode Reservoir, Germany´s largest drinking water reservoir. Amongst others, new tools were concentration patterns and stable isotopes of DO (δ18ODO) and DIC (δ13CDIC) as well as stable isotopes and concentrations of dissolved and particulate organic carbon (DOC and POC, respectively). The MOM zone showed the lowest DO concentrations (down to 0.1 mmol L-1) coupled with the highest δ18ODO (up to +36.5 ‰) and the lowest δ13CDIC (down to -15.1 ‰) values. It was also marked by the highest respiration to photosynthesis ratios (R/P up to 60) as determined from DO concentrations and its isotopes. Moreover, P. rubescens was also studied in a laboratory experiment with a non-axenic culture. This allowed the identification of a fractionation factor (αR) of 0.980 for respiration of a community dominated by P. rubescens. This finding can help to quantify oxygen depletion linked to this cyanobacterium via Rayleigh fractionation. Another part of this thesis was able to show that autochthonous POC is the main contributor to DIC pool through mineralisation in both the metalimnion and the hypolimnion of Rappbode reservoir. This PhD work could quantify for the first time the MOM as a layer of intense respiration via δ18ODO and δ13CDIC measurements. Another new aspect is that metabolic balances for the entire water column of the Rappbode Reservoir could be established with stable isotope systematics. With this, the fragility of the Rappbode System to global warming with links to atmospheric O2 inputs and mineralisation rates of POC into DIC could be described. Moreover, this work provided new isotope insights into the metabolism of the harmful algae P. rubescens that also occurs in other lakes and reservoirs worldwide. In summary, this thesis offers a basis for future studies on the ecology of standing water bodies.
description: Globale Erwärmung und Landnutzungsänderungen stellen zunehmende Belastungen für terrestrische aquatische Ökosysteme dar. Dies hat vor allem Konsequenzen für Stoffwechselbilanzen von Gewässern, die in erster Linie von gelöstem Sauerstoff (DO) und gelöstem anorganischem Kohlenstoff (DIC) abhängen, da diese Moleküle an der Photosynthese und Respiration beteiligt sind. Beispielsweise sind DO Konzentrationen umgekehrt proportional zur Temperatur. Dies weist darauf hin, dass im Zuge globaler Erwärmung O2 Aufnahmen in aquatische Systemen aus der Atmosphäre geringer werden könnten. Die globale Erwärmung fördert auch die Vermehrung des Phytoplanktons und der Respiration. Weiterhin konnte man in den letzten Jahrzehnten ein verstärktes Auftreten des Cyanobakteriums Planktothrix rubescens aufgrund von steigenden Temperaturen und zunehmenden Landnutzungsänderungen in terrestrischen Gewässern beobachten. P. rubescens ist für die Freisetzung schädlicher Toxine bekannt. Dieses Spezies siedelt sich in der Regel im Metalimnion von stehenden Gewässern an. Dort werden sie mit dem so genannten Metalimnion-Sauerstoffminimum (MOM) in Verbindung gebracht. Dies ist ein Phänomen, das durch einen abrupten Rückgang des Sauerstoffgehalts in Gewässern gekennzeichnet ist. Diese Doktorarbeit untersuchte Stoffwechselbilanzen sowie Ursachen und Wirkungen der MOM-Zone in Deutschlands größtem Trinkwasserreservoir, der Rappbode Talsperre. Unter anderem wurden hierbei Konzentrationen von stabilen Isotopen des DO (δ18ODO) und des DIC (δ13CDIC) eingesetzt und mit denen des gelösten und partikulären Kohlenstoffs (DOC und POC) kombiniert. Die MOM-Zone zeigte die niedrigsten DO-Konzentrationen (bis zu 0,1 mmol L-1) und die höchsten δ18ODO Werte (bis zu +36,5 ‰) die mit den niedrigsten δ13CDIC -Werte (bis zu -15,1 ‰). Darüber hinaus konnte in dieser Zone mit Hilfe von DO Konzentrationen und Isotopen ein außergewöhnlich hohes Verhältnis von Respiration zu Photosynthese (R/P bis zu 60) festgestellt werden. Die Dynamik von P. rubescens wurde auch in einem Laborexperiment untersucht. Hierbei konnte ein Fraktionierungsfaktor (αR) für die Respiration einer Community, die auch dieses Cyanobakterium enthielt mit 0.980 bestimmt werden. Mit diesem Fraktionierungsfaktor lassen sich über Rayleigh-Fraktionierung Sauerstoffabnahmen quantifizieren. Eine weitere neue Schlussfolgerung dieser Arbeit ist, dass POC durch Mineralisierung im Metalimnion und Hypolimnion der Rappbode Talsperre den Hauptbeitrag zum DIC-Pool leistet. Darüber hinaus wurde das MOM erstmalig mit δ18ODO und δ13CDIC Messungen charakterisiert. Diese konnten bestätigten, dass in dieser diese Zone intensive Respiration in Verbindung mit P. rubescens-Blüten stattfinden. Darüber hinaus wurden auch anhand von stabilen Isotopen neue DO-Umsetzungsbilanzen für die gesamte Wassersäule der Rappbode-Talsperre erstellt. Die Arbeit konnte zeigen, dass dieser Wasserkörper leicht von Effekten globaler Erwärmung mit Minderung von atmosphärischen O2-Einträgen und Umsetzungsraten von Kohlenstoff aus dem Gleichgewicht gebracht werden könnte. Darüber hinaus konnten basierend auf neuen Labor-experimenten mit δ18ODO Messungen wichtige Erkenntnisse über den Stoffwechsel des Cyanobakteriums P. rubescens in der Community erfasst werden. Diese Arbeit bietet neue Grundlagen und Werkzeuge für zukünftige ökologische Studien in terrestrischen Gewässersystemen.