Funktionerna hos vattendominerade ekosystem kan påverkas och förändras avsevärt genom hydrologiska fluktuationer. De olika tillstånden för redoxaktiva ämnen är här av avgörande betydelse. Forskare vid University of Bayreuth har upptäckt detta, i samarbete med partners från universiteten i Tübingen och Bristol och Helmholtz Center for Environmental Research, Halle-Leipzig. De presenterar sin upptäckt i tidningen Naturgeovetenskap . Den nya studien möjliggör en mer exakt förståelse av de biogeokemiska processerna som bidrar till nedbrytning av föroreningar och minskning av växthusgasutsläpp.

Minska produktionen av växthusgaser, lagring av kol, ta bort miljöföroreningar som nitrat, och tillhandahålla dricksvatten av hög kvalitet – dessa är viktiga tjänster som tillhandahålls av akvatiska ekosystem, som sjöar, strömmar, kärr, och myrar. Funktionerna hos sådana akvatiska ekosystem är nära kopplade till syrecyklerna, kväve, kol, och andra element i naturen. Det har länge varit känt att elementära cykler är sammanlänkade biogeokemiska processer som kan påverkas väsentligt av hydrologiska fluktuationer. Exempel på detta är fluktuationer i vattennivån i våtmarker, torvmarker, och grundvatten, eller till och med ändra flödesriktningar i grundvattnet.

Forskargruppen ledd av Prof. Dr Stefan Peiffer vid University of Bayreuth har nu lyckats förstå elementcyklernas beroende av hydrologiska fluktuationer mer exakt. Som många laboratoriestudier har visat, redoxaktiva ämnen har en nyckelfunktion i detta. "Den som någonsin har traskat genom ett träsk eller rotat i sanden i en badsjö kommer att ha märkt dessa ämnen på grund av deras olika färg. I ett mycket trångt utrymme, färgnyanser växlar från djupsvart till grått och brunt till ljusrött. Det som ligger bakom är ett samspel mellan mikrobiologiska och kemiska processer där elektroner överförs. I forskning, vi kallar dem redoxreaktioner, säger Peiffer.

En jämförelsevis enkel form av redoxreaktion är andning hos människor och djur. Kol oxideras av syre för att bilda koldioxid. I de mikrobiellt drivna redoxreaktionerna som äger rum i ett träsk, till exempel, syrgas roll övertas av en mängd olika redoxaktiva ämnen-järn, svavel, och manganföreningar eller humusämnen. Livslängden för dessa ämnen är mycket kort, men de visar en mycket stark tendens att engagera sig i redoxreaktioner. De kallas därför "redoxaktiva metastabila faser" (RAMP). På grund av deras höga reaktivitet, RAMP spelar en viktig roll i elementära cykler i ekosystem. Till exempel, de kan bryta ned föroreningar som nitrater eller olika andra organiska kemikalier.

En orsak till den korta livslängden för RAMP är den ständiga förändringen mellan elektrondonerande och elektronacceptabla förhållanden. Studien, publicerad i Naturgeovetenskap , kommer till en slutsats avgörande för ekologisk och miljöforskning. Dynamiken i redoxreaktiviteten hos RAMPs utlöses av hydrologiska fluktuationer som uppstår i strandzoner, i våtmarker, i vattensjuka jordar, i risodlingar eller på ytan av sediment i sjöar och floder. Dessa småskaliga biogeokemiska reaktioner, i tur och ordning, påverka ekosystemets reaktioner i stor skala, till exempel, mängden växthusgaser som släpps ut i atmosfären. Detta gör det för första gången förståeligt hur hydrologiska fluktuationer, till exempel fluktuerande vattennivåer, påverkar elementarcykler i naturen, och därmed ekosystemens funktion.

"Vår studie visar att biogeokemiska reaktioner på en skala av bara några mikrometer utgör en viktig krux mellan två storskaliga processer:Mellan hydrologiska fluktuationer å ena sidan, och ekosystemfunktioner på den andra. Våra nya rön kommer därför att bidra till att bättre förutsäga nedbrytning av föroreningar i akvatiska ekosystem i framtiden. Klimatförändringarnas konsekvenser för kol- och kväveomvandlingen i dessa ekosystem kan också bedömas mer exakt i framtiden, säger Peiffer.