De functies van door water gedomineerde ecosystemen kunnen aanzienlijk worden beïnvloed en veranderd door hydrologische fluctuaties. De wisselende toestanden van redox-actieve stoffen zijn hierbij van cruciaal belang. Dat hebben onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth ontdekt, in samenwerking met partners van de universiteiten van Tübingen en Bristol en het Helmholtz Center for Environmental Research, Halle-Leipzig. Ze presenteren hun ontdekking in het tijdschrift Natuur Geowetenschappen . De nieuwe studie maakt een nauwkeuriger begrip mogelijk van de biogeochemische processen die bijdragen aan de afbraak van verontreinigende stoffen en de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen.

Het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen, koolstof opslaan, het verwijderen van milieuverontreinigende stoffen zoals nitraat, en het leveren van drinkwater van hoge kwaliteit - dit zijn belangrijke diensten die worden geleverd door aquatische ecosystemen, zoals meren, stromen, moerassen, en moerassen. De functies van dergelijke aquatische ecosystemen zijn nauw verbonden met de cycli van zuurstof, stikstof, koolstof, en andere elementen in de natuur. Het is al lang bekend dat elementaire cycli onderling verbonden biogeochemische processen zijn die aanzienlijk kunnen worden beïnvloed door hydrologische fluctuaties. Voorbeelden hiervan zijn schommelingen in het waterpeil van wetlands, veengebieden, en grondwater, of zelfs veranderende stromingsrichtingen in grondwater.

Het onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Stefan Peiffer aan de Universiteit van Bayreuth is er nu in geslaagd om de afhankelijkheid van elementcycli van hydrologische fluctuaties nauwkeuriger te begrijpen. Zoals talrijke laboratoriumstudies hebben aangetoond, redox-actieve stoffen hebben hierin een sleutelfunctie. "Iedereen die ooit door een moeras heeft gesjouwd of in het zand van een zwemmeer heeft gerommeld, zal deze stoffen zijn opgevallen vanwege hun verscheidenheid aan kleuren. In een zeer beperkte ruimte, kleurschakeringen wisselen van diepzwart tot grijs en bruin tot lichtrood. Hierachter zit een samenspel van microbiologische en chemische processen waarbij elektronen worden overgedragen. In onderzoek, we noemen ze redoxreacties, ’ zegt Peiffer.

Een relatief eenvoudige vorm van redoxreactie is de ademhaling bij mens en dier. Koolstof wordt geoxideerd door zuurstof om koolstofdioxide te vormen. In de microbieel aangedreven redoxreacties die plaatsvinden in een moeras, bijvoorbeeld, de rol van zuurstof wordt overgenomen door een verscheidenheid aan redox-actieve stoffen:ijzer, zwavel, en mangaanverbindingen of humusstoffen. De levensduur van deze stoffen is erg kort, maar ze vertonen een zeer sterke neiging tot redoxreacties. Ze worden daarom "redox-actieve metastabiele fasen" (RAMP's) genoemd. Door hun hoge reactiviteit, RAMP's spelen een belangrijke rol in elementaire cycli in ecosystemen. Bijvoorbeeld, ze zijn in staat om verontreinigende stoffen zoals nitraten of verschillende andere organische chemicaliën af te breken.

Een reden voor de korte levensduur van RAMP's is de constante verandering tussen elektronendonerende en elektronenaccepterende omstandigheden. De studie, gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen , komt tot een voor ecologisch en milieuonderzoek beslissende conclusie. De dynamiek van de redox-reactiviteit van RAMP's wordt veroorzaakt door hydrologische fluctuaties die optreden in kustzones, in wetlands, in drassige bodems, in rijstgroeiende bodems of aan het oppervlak van sedimenten in meren en rivieren. Deze kleinschalige biogeochemische reacties, beurtelings, de grootschalige reacties van het ecosysteem beïnvloeden, bijvoorbeeld, de hoeveelheid broeikasgassen die in de atmosfeer terechtkomt. Hiermee wordt voor het eerst inzichtelijk hoe hydrologische fluctuaties, bijvoorbeeld fluctuerende waterstanden, invloed hebben op elementaire cycli in de natuur, en daarmee het functioneren van ecosystemen.

"Onze studie toont aan dat biogeochemische reacties op een schaal van slechts enkele micrometers een belangrijke crux vormen tussen twee grootschalige processen:tussen hydrologische fluctuaties enerzijds, en ecosysteemfuncties anderzijds. Onze nieuwe bevindingen zullen daarom in de toekomst helpen om de afbraak van verontreinigende stoffen in aquatische ecosystemen beter te voorspellen. De gevolgen van klimaatverandering voor koolstof- en stikstofconversie in deze ecosystemen kunnen in de toekomst ook nauwkeuriger worden ingeschat, ’ zegt Peiffer.