Anaerobic oxidation of methane in marine sediments

272 Pages·2004·6.11 MB·English

Tina Treude

Anaerobic oxidation of methane in marine sediments
Anaerobic oxidation of methane
in marine sediments

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften

-Dr. rer. nat.-

dem Fachbereich Biologie/Chemie der

Universität Bremen vorgelegt von

Tina Treude

Bremen
Dezember 2003

Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit vom Juli 2000 bis Dezember 2003 am Max-Planck-
Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen angefertigt.

1. Gutachterin: Prof. Dr. Antje Boetius
2. Gutachter: Prof. Dr. Bo Barker Jørgensen

Weitere Prüfer:
Prof. Dr. Gunter Kirst
Dr. Martin Krüger

Tag des Promotionskolloquiums: 23. Januar 2004

Imagination is more important than knowledge
―Albert Einstein

Diese Arbeit widme ich meinen Großeltern,
Hanna und Richard Treude,
die beide das Ende meiner Doktorarbeit
nicht mehr miterleben konnten.
Ich denke an Euch, wo immer ihr seid.

Zusammenfassung

Die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) ist ein mikrobieller Prozess in anoxischen
marinen Sedimenten, bei dem im Gegensatz zur aeroben Methanoxidation Sulfat zur
Oxidation des Methans verwendet wird. AOM wird nach heutigen Kenntnissen von einem
mikrobiellen Konsortium aus methanotrophen Archaea und sulfatreduzierenden Bakterien
durchgeführt. Untersuchungen der letzten 20 Jahre zeigen, dass AOM einen Austritt von
Methan aus dem Meeresboden in die Wassersäule fast vollständig verhindert, und dieser
Prozess damit für die geringe Methanemission der Ozeane verantwortlich sein könnte. Die
Umsetzung von Methan mit Sulfat ist erst vor weniger als 30 Jahren entdeckt worden und ist
bis heute nicht vollständig erklärt. Weltweit existieren nur relativ wenige Messungen von
AOM in marinen Sedimenten. In der vorliegenden Arbeit wurde das Vorkommen und die
Bedeutung von AOM in marinen Habitaten mit unterschiedlichen Methanflüssen untersucht.
Zum anderen wurde die Steuerung von AOM in Sedimenten und mikrobiellen Matten
ausgewählter Habitate durch verschiedene Umweltfaktoren untersucht. Die Untersuchungen
zeigten Folgendes:
1. Am Hydratrücken vor Oregon, wo fossile Gase aufsteigen und Gashydrate sich im
Oberflächensediment zersetzen, wurden einige der höchsten jemals gemessenen
Umsatzraten von Methan (maximal 5 µmol cm-3 d-1) festgestellt. AOM und
Sulfatreduktion zeigen ein Verhältnis von ca. 1:1. Die Oberflächen der Sedimente sind
durch chemoautotrophe Bakterien und Muscheln besiedelt, welche das aus der AOM
entstehende Sulfid als Energiequelle nutzen. Peripher zu diesen advektiven Stellen
sind AOM Raten stark reduziert und kaum nachweisbar. Die AOM-Messungen am
Hydratrücken zeigten, dass selbst bei höchsten Methanflüssen von ca.
200 mmol m-2 d-1 zwischen 50 und 90% des aufsteigenden Methans konsumiert wird,
bevor es in die Wassersäule gelangt. Insgesamt zeichnet sich AOM in den
Oberflächensedimenten des Hydratrückens durch eine extrem hohe Heterogenität aus,
welche vermutlich durch ungleichmäßig aufsteigende Gase und Fluide,
Carbonatausfällungen und Bioturbation hervorgerufen wird.
2. Die Sedimente der Eckernförder Bucht sind reich an Methan auf Grund hoher Raten
rezenter Methanbildung im Organik-reichen Meeresboden. Die Methankonzentration
übersteigt die Sättigungsgrenze von 6–7 mM, wodurch es zum Aufsteigen von
Gasblasen kommt. Es konnte gezeigt werden, dass AOM in den oberen 20 cm des
Sedimentes jahreszeitlichen Veränderungen unterworfen ist, welche durch die