Original paper

Acetate in deep peat bog environments ­ Seasonal variations and implications for methanogenesis: Investigation of an ombrotrophic peat bog in the Jura Mountains, Switzerland

[Jahreszeitliche Schwankungen der Acetatkonzentration im tieferen Bereich von Mooren und ihre Bedeutung für die Methanbildung: Untersuchung eines ombrotrophischen Hochmoors im Schweizer Jura]

Eilrich, Bernd; Steinmann, Philipp

Abstract

This study reports the acetate concentration patterns along with those for methane and DOC in the pore water of a deep (> 6 m) peat bog,the Etang de la Gruère (EGR) bog in Switzerland. Pore water samples were obtained in situ using diffusion chambers ("peepers") down to a depth of almost 6 m from October 1999 to August 2001. Acetate concentrations increase with depth from well below 5 M at 0.5 m to more than 180 M at 5 m, but then decline probably due to lateral flow of water on the ground of the bog.An acetate concentration maximum in the shallow catotelm at about 1.8 m depth has repeatedly been observed in late spring and can be related to increasing pore water temperatures in that season.The presence of two other concentration maxima at approximately 3.2 and 5 m depth is confirmed by most measurement series.As the pore water temperatures are almost depth-invariant in the deeper bog,these maxima seem to reflect the degree of peat decomposition,hydrology, and, as a consequence, the zonal distribution of microbial acetate producing and consuming communities. Significant seasonal variations (by a factor of 3 or more) occur with highest acetate concentrations in spring and early summer and lowest in autumn and early winter. The timing of these variations underlines the important role of a) considerably increased pore water temperatures in the shallow bog and hence increased acetate production in spring and of b) the downward advective transport of acetate and labile DOC in the bog pore water profile of the observed acetate concentrations.The vertical and temporal gradients prove a potential for acetogenesis and aceticlastic methanogenesis also in the deep catotelm.

Kurzfassung

Die Untersuchung beruht auf Feldforschung in einem Moorgebiet nördlicher Breiten,dem Etang de la Gruère Hochmoor (EGR) im Schweizer Jura. Dort kam es seit dem Ende der letzten Eiszeit, während der zurückliegenden ca.14500 Jahre,zu kontinuierlicher Torfakkumulation. Der Torf des EGR erreicht bis zu 8 m Mächtigkeit und kann prinzipiell in zwei Lagen eingeteilt werden: eine maximal 50 cm umfassende Deckschicht, den Acrotelm, in dem aerobe Prozesse wegen der Oberflächennähe eine Rolle spielen können und den mächtigen, stets wassergesättigten und darum komplett anaeroben Katotelm. Bislang liegen nur wenige porenwasserchemische Untersuchungen dieses tieferen Moorbereichs vor,was insbesondere mit der ebenso diffizilen wie aufwendigen Probengewinnung zu tun hat. Für diese Studie wurden chemische Porenwasserparameter im Monatsabstand an Proben bestimmt, die mittels Diffusionskammern zur Insitufiltration (,Peeper") genommen wurden. Es sollen hier die tiefenbedingten ( 0.5 ­ 6 m) Konzentrationsänderungen von Acetat,gelöstem organischen Kohlenstoff und Methan wie auch deren jahreszeitliche Schwankungen dargestellt werden.Die Ergebnisse umfassen den Zeitraum von Oktober 1999 bis August 2001.Die gemessenen Acetatkonzentrationen steigen mit zunehmender Tiefe von weniger als 5 M in 0,5 m auf mehr als 180 M in 5 m Tiefe an.Darunter gehen sie aber ­ wahrscheinlich wegen seitli- chen Wasserflusses am Grund des Moors ­ wieder leicht zurück.Wiederholt gegen Frühlingsende wurde ein Maximum der Acetatkonzentration bei etwa 1,8 m Tiefe beobachtet.Es kann mit dem einsetzenden Anstieg der Porenwassertemperatur im oberen Katotelm korreliert werden.Die meisten Meß-Serien bestätigen auch die Ausbildung zweier weiterer Konzentrationsmaxima von Acetat in ungefähr 3,2 und 5 m Tiefe.Da sich die Porenwassertemperatur im unteren Katotelm nur noch sehr geringfügig mit der Tiefe ändert,scheinen diese Konzentrationsmaxima auf den Zersetzungsgrad des Torfs,die Hydrologie und dementsprechend auf die zonierte Verteilung acetatproduzierender und -konsumierender Mikrobenvergemeinschaftungen zurückzugehen.Die Acetatkonzentrationen können saisonal um den Faktor 3 und mehr schwanken,wobei die höchsten im Frühling und Frühsommer,die niedrigsten im Herbst und zu Winterbeginn gemessen wurden.Der Zeitpunkt dieser Schwankungen unterstreicht die wichtige Rolle a) deutlich angestiegener Porenwassertemperaturen mit infolgedessen stärkerer Acetatbildung im oberen Teil des Moors und b) eines durch das Porenwasserprofil nach unten gerichteten advektiven Transports von Acetat und biologisch umsetzbarem gelösten organischen Kohlenstoff. Die Acetatkonzentrationen sowie die beobachtete vertikale und zeitliche Gradiententwicklung belegen auch für den tieferen Katotelm das Potential zur Acetatbildung und zur acetiklastischen Methanogenese.

Keywords

acetateombrotrophic peat bogaceticlastic methanogenesispeatlandshydrologypore waterpeeper SwitzerlandJura MountainsEtang de la Gruère