Quantifizierung der tiefenspezifischen, mikrobiell mediierten

1. Quantifizierung der tiefenspezifischen, mikrobiell mediierten Denitrifizierungsrate im Zugersee-Südbecken aufgrund der N-Isotopensignale im NO3– und N2 Fragestellung: Verursacht bakteriell katalysierte Denitrifikation im Sediment eine Ver-schiebung des Nitratisotopensignals im freien Wasserkörper? ► • 2 Modelle der Denitrifikation im Sediment: • Vollständigen Elimination des ins Sediment diffundierten Nitrats (→ Sediment als perfekte Nitratsenke, keine Isotopenfraktionierung) • Sedimentäre Denitrifikation führt genauso wie die pelagiale zu einer Fraktionierung des Nitratreservoirs (→ Isotopenfraktionierung auch im Sediment) Kann die Nitratisotopenzusammensetzung im freien Wasserkörper zur Quantifizierung des reduktiv umgesetzten Nitrats verwendet werden? ► Kann die Isotopenverschiebung im gelösten molekularen Stickstoff zur Berechnung der durch denitrifizierende Mikroorganismen gezehrten Nitratfracht dienen? ► Quantifizierung der tiefenspezifischen, mikrobiell mediierten Denitrifizierungsrate im Zugersee-Südbecken aufgrund der N-Isotopensignale im NO3– und N2 Fragestellung: Verursacht bakteriell katalysierte Denitrifikation im Sediment eine Ver-schiebung des Nitratisotopensignals im freien Wasserkörper? ► • 2 Modelle der Denitrifikation im Sediment: • Vollständigen Elimination des ins Sediment diffundierten Nitrats (→ Sediment als perfekte Nitratsenke, keine Isotopenfraktionierung) • Sedimentäre Denitrifikation führt genauso wie die pelagiale zu einer Fraktionierung des Nitratreservoirs (→ Isotopenfraktionierung auch im Sediment) Kann die Nitratisotopenzusammensetzung im freien Wasserkörper zur Quantifizierung des reduktiv umgesetzten Nitrats verwendet werden? ► Kann die Isotopenverschiebung im gelösten molekularen Stickstoff zur Berechnung der durch denitrifizierende Mikroorganismen gezehrten Nitratfracht dienen? ►

2. Der Stickstoffkreislauf

3. Der Zugersee Charakteristika: ► Maximale Tiefe 198m ► Ein- und Ausfluss im Nord- Becken nahe bei einander ► Das Süd-Becken ist wind- geschützt durch Rigi und Gnipen ► Herabgesetzte vertikale turbulente Diffusion ► Mittlere Aufenthaltszeit von ~14 Jahren ► Mittleres Wasseralter von ~ 5 Jahren am tiefsten Punkt ► Salinitätsgeschichtet ► Inverse Temperaturschichtung

4. Tiefenspezifische Redox-Sequenz im Zugersee-Südbecken (Meromixis) [O2] < 120mM [O2] < 10mM

5. Einfluss der enzymatisch katalysierten Denitrifikation auf die N-Isotopenzusammensetzung im Produkt und im Edukt Transmembrane Diffusion: Isotopenfraktionierung Enzymkomplexierung: Enzymreaktion: Isotopenfraktionierung

6. Methodik: Aufbereitung der Wasserproben Für die d15N-NO3––Messungen: • Abfiltrieren der Biomasse • Aufkonzentrieren des Nitrats auf einem Ionentauscher • Eluieren des am Ionentauscher komplexierten Nitrats mit konzentrierter Salzsäure • Neutralisieren der Salpetersäure mit Silberoxid • Abfiltrieren des Silberchlorids und Einfüllen der Silbernitratlösung in ein lichtundurchlässiges Fläschchen • Gefriertrocknen des Silbernitrats Für die d15N-N2–Messungen: • Entnehmen der Wasserprobe aus dem unteren Bereich der Glasflasche • Injizieren der Probe in ein mit Helium gefülltes Hermetik-Röhrchen • Einstellen des Phasengleichgewichts bei Raumtemperatur.

7. NO3––Messungen Systemanalyse: 1993 NO3--Konzentration [mM] Nitratfluxe FNO3-: FNO3-(z=100m) = -0.30mmolm-2d-1 FNO3-(z=140m) = -1.29mmolm-2d-1 FNO3-(z=180m) = -2.00mmolm-2d-1 Denitrifikationsrate RNO3-: RNO3-(z=160m) = -0.04mmolm-3d-1 Denitrifikationskonstante kDen.: kDen.(z=160m) = -1.7E-03d-1 Tiefe [m] Transfergeschwindigkeit vTransf.: vTransf.(z=160m) = 7.8E-07ms-1 Dicke der Diffusiven Schicht Dx: Dx (z=160m) = 1.5mm Jährliche Nitratelimination: ENO3-= 197ta-1 ► Ausschliesslich pelagiale Denitrifikation

8. d15N-NO3––Messungen 4. Dezember 2000 21. Juni 2001 d15N-NO3- [‰] d15N-NO3- [‰] y = 35.123x - 192.23 R2 = 0.9712 y = 29.886x - 182.55 R2 = 0.915 Dd15N-NO3–(60-190m) = 4.34‰ s = 1.33‰ Dd15N-NO3–(0-190m) = 6.52‰ s = 0.205‰ ~ ~ Dd15N-NO3– = 31s Dd15N-NO3– = 3s Tiefe [m] Tiefe [m]

9. d15N-N2–Messungen 5. Februar 2001 21. Juni 2001 d15N-N2 [‰] d15N-N2 [‰] y = -120.45x + 118.07 R2 = 0.8267 y = -120.43x + 105.5 R2 = 0.9311 Dd15N-NO3–(60-190m) = 4.34‰ s = 0.09‰ Dd15N-N2(60-190m) = 1.0‰ s = 0.25‰ ~ ~ Dd15N-N2 = 4s Dd15N-N2 = 13s Tiefe [m] Tiefe [m]

10. Schlussfolgerungen Nitrat: Fortlaufend linearer Verlauf der tiefenspezifischen Isotopensignale auch in der anoxischen Zone: → → → ► Sedimentäre Denitrifikation hat keinerlei Einfluss auf die Isotopenfraktionierung des Nitrats im freien Wasserkörper (Sediment perfekte Senke, Denitrifikation und Nitrifikation heben sich auf). Die tiefenspezifische Isotopenzusammensetzung über die gesamte Wassersäule wird primär durch vertikale Transportprozesse verursacht. Die pelagiale Denitrifikation in den anoxischen Tiefenzonen des Zugersee-Südbeckens ist einzige Quelle von 15N-angereichertem Nitrat (Denitrifikation im Sediment aufgrund des Salinitätgradients in den tiefsten Bereichen des Zugersee-Südbeckens deaktiviert). ► Berechnete Fraktion nicht reagierten Nitrats: → = 60% Entspricht der Reduktion der Nitratkonzentration von 30mM in 160m Tiefe auf 19mM in 190m Tiefe. Stickstoff: In der N2-Isotopenzusammensetzung ist ein Trend klar erkennbaren. ► Quantitative Aussage über die Anteile der Konkurrenzreaktionen Denitrifikation und Nitrat-Ammonifikation ist möglich. ► Berechnete theoretische Isotopenzusammensetzung d29N2: → ► = -0.72‰ Entspricht dem d29N2-Wert in 190m Tiefe.