Význam stabilních izotopů uhlíku pro rozpoznání dynamiky metanogeneze v řece

Mgr. Adam BEDNAŘÍK

Disertační práce

Stable methane isotopes in a stream and their importance for studying dynamics of methanogenesis

Abstract:

Methane is one of the most important greenhouse gases. Despite of recent studies pointing out important contribution of running waters to natural methane emissions to the atmosphere, data concerning the methane sources in rivers are very scarce. This thesis deals with methane dynamic in river ecosystems with special emphasis on an effect of river impoundments on methane related processes. Beside the methane concentrations, oxidation, production and emission to the atmosphere, the changes in contribution of two main methanogenic pathways (hydrogenotrophic and acetoclastic) to the total methane production were determined using the stable carbon isotopes analysis. We found hotspots of the sediment methane production in a river continuum, which are connected with the local driving factors including mainly the existence of artificial barriers as weirs. Changes in rate of individual components of river methane dynamic were further examined in cascade of three weirs and river reaches between them. We found that river impoundments affect the sediment processes in several ways, including changes of the sediment characteristics (fine sediment fraction, higher sediment carbon content), enhanced microbial activities in the sediment (methane production and oxidation), ebullition of methane, and different contributions of hydrogenotrophic methanogens to the released methane. Thus, many parameters found for weir impoundments resemble observations for lake systems. Moreover, remarkable spatial variability in sediment methane production was demonstrated in cross-section profile of the one studied impoundment. Presented studies point to only the part of the samples could be activated for methane production despite of presence of methanogens (most probably due to substrate limitation). This suggest that the observed variability of the microbial activities as well as the resulting methane concentrations in the water column are only indirectly linked to the presence of different microbial guilds, but rather affected by their activity. Altogether our results confirm that the methane dynamics in a river system show a high local variability and that multiple measurements are needed to characterize the sources and fates of the methane. Obtained results might be further used for better estimates of importance of rivers in a global methane budget.

Abstract:

Metan je spolu s oxidem uhličitým a oxidem dusným řazen mezi nejvýznamnější skleníkové plyny. Navzdory mnoha současným studiím vyzdvihujícím význam říčních ekosystémů jako přírodního zdroje emisí metanu do atmosféry, jsou poznatky týkající se zdrojů metanu v řekách nedostatečné. Předložená práce se zabývá dynamikou metanu v říčních ekosystémech se zvláštním důrazem na vliv umělých příčných bariér (jezů) na procesy spojené s koloběhem metanu. Kromě koncentrací metanu, jeho oxidace, produkce a emisí do atmosféry byl determinován příspěvek dvou hlavních metabolických cest vzniku metanu do jeho celkové produkce, a to s využitím analýzy obsahu stabilních izotopů uhlíku. Na základě provedených měření v říčním kontinuu řeky Labe byly detekovány místa s nezvykle vysokou produkcí metanu v sedimentech, které odpovídaly změnám v lokálních faktorech prostředí spojených především s existencí příčných bariér na vodním toku. Další práce se proto blíže zaměřila na porovnání změn v jednotlivých složkách dynamiky metanu v kaskádě tří jezů a říčních úsecích mezi nimi. Bylo zjištěno, že jezy vyvolávají řadu změn v sedimentačních procesech (usazování jemnější frakce, vyšší obsah organického uhlíku), které se následně projevují v procesech spojených s koloběhem metanu, jako je zvýšená mikrobiální aktivita (produkce a oxidace metanu v sedimentech), vysoký podíl ebulice na celkové emisi do atmosféry (uvolňování metanu ve formě bublin) a rozdílný poměr metabolických cest vzniku metanu. To spolu s ostatními charakteristikami nadjezí vypovídá o tom, že mnoho procesů probíhajících v sedimentech jezových zdrží včetně tvorby bublin a metabolismu uhlíku je lépe srovnatelných s prostředím sedimentů jezer než s říčními sedimenty. Mimo to byla zjištěna také značná variabilita v produkci metanu uvnitř vybraného nadjezí. Další výsledky ukázali, že jen část vzorků inkubovaných v anoxických podmínkách produkuje metan, přestože v nich bylo detekováno srovnatelné množství metanogenních archaea jako v aktivních vzorcích, což bylo s největší pravděpodobností dáno nedostatkem vhodného substrátu. Toto zjištění naznačuje, že pozorovaná variabilita v mikrobiální aktivitě stejně jako výsledné koncentrace metanu ve vodě jsou jen nepřímo řízeny přítomností určitého mikrobiálního společenstva, ale jsou spíše ovlivněny jeho aktivitou. Naše studie tak potvrzuje, že dynamika metanu v říčních ekosystémech vykazuje vysokou prostorovou variabilitu a z toho důvodu lze charakterizovat zdroje metanu a jeho další osud v ekosystému jen s využitím velmi komplexních měření. Získaná data mohou mimo jiné posloužit i jako cenný údaj pro zpřesnění odhadů významu říčních systémů v bilanci metanu v rámci vnitrozemských vod a v kontextu globální dynamiky metanu.

Keywords

říční sedimenty, metanogenní potenciál, metanotrofní potenciál, stabilní izotopy uhlíku, emise metanu, ebulice, říční nádrže, metanogenní cesty

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 22. 7. 2019

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. RNDr. Martin Rulík, Ph.D., doc. RNDr. Martin Rulík, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Ekologie a ochrana prostředí / Ekologie