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Cordula Gutekunst

• Peatland rewetting is a recognized nature-based solution to reduce CO2 emissions and has the potential to create carbon sinks. The necessity to reduce greenhouse gases (GHG) from both natural and from anthropogenic sources is one of the most urgent challenges of our time. Rewetting artificially drained peatlands with freshwater can induce initially high methane (CH4) emissions. Using sulfate-containing brackish water to rewet coastal peatlands may prevent these CH4 peaks. This is due to substrate usage by thermodynamically more favorable microbial metabolic processes, such as sulfate reduction, instead of methanogenesis. Together with colleagues, I investigated two peatlands with different histories of rewetting and management, located on the Baltic Sea coast in north-east Germany: A coastal fen that was rewetted with freshwater and another rewetted with brackish water. In the freshwater rewetted fen, which experienced a drought shortly before a storm surge inundated the area with brackish water, a reduction of its previously high CH4 emissions was observed. While abundances of methanogenic archaea decreased during the drought, we did not see a further reduction after the brackish water inflow. Although a large part of the CH4 emission reduction is certainly a legacy effect of the drought, the increasing abundances of sulfate-reducing bacteria (SRB) following the inflow may have caused competition with methanogens for substrate. In addition or alternatively, SRB might be involved in the anaerobic oxidation of CH4. However, we did not observe increases in CH4 oxidation or in abundances of anaerobic methanotrophs in the peat soil. This suggests that methanotrophy may have taken place in the water column above the investigated peat soil. In contrast, the brackish water rewetted fen showed relatively low CH4 emissions immediately after rewetting compared to freshwater rewetted fens. Relative to the fen’s drained state, abundances of SRB and methanogens increased after rewetting, but substrate competition and CH4 oxidation most likely limited excess CH4 emissions. However, the high CO2 emissions did not decrease as expected despite rewetting, while ecosystem respiration and thus peat decomposition was significantly reduced. We observed a severe die-back of both grassland plants and near-ditch fen vegetation following the intense inundation with brackish water. The reason for the persistent CO2 emissions after rewetting could be ecosystem respiration, which was fueled by large amounts of available labile substrate, irrespectively of peat decay. Additionally, high CO2 emissions could not be prevented due to the lack of CO2 uptake by photosynthesis. This thesis contributes to the discussion on coastal peatland rewetting and provides new ideas about the interplay between a fen’s microbiology and biogeochemistry among different spatial compartments. When aiming for GHG emission reduction after rewetting this thesis highlights that not only the water type might be important to consider, but also the frequency of brackish water input as well as the flooding intensity. In order to define and evaluate rewetting approaches for future projects, comparing rewetted peatlands according to their GHG emission development is necessary. Further, long-term monitoring and multidisciplinary research are needed to provide insight on the influence of brackish water on coastal fens beyond the first year after rewetting.
• Die Wiedervernässung von Mooren ist eine anerkannte naturbasierte Lösung zur Verringerung von CO2 Emissionen und hat das Potenzial, Kohlenstoffsenken zu schaffen. Die Notwendigkeit, Treibhausgase (THG) aus natürlichen, aber auch aus anthropogenen Quellen zu reduzieren, ist eine der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Die Wiedervernässung künstlich entwässerter Moore mit Süßwasser kann in der Anfangsphase zu hohen Methanemissionen (CH4) führen. Die Verwendung von sulfathaltigem Brackwasser zur Wiedervernässung küstennaher Moore könnte diese anfänglich hohen CH4 Emissionen verhindern. Dies ist auf die Substratnutzung durch thermodynamisch günstigere mikrobielle Stoffwechselprozesse wie die Sulfatreduktion anstelle der Methanogenese zurückzuführen. Zusammen mit Kolleg*innen untersuchte ich zwei Niedermoore an der Ostseeküste in Nordostdeutschland mit unterschiedlicher Wiedervernässungsgeschichte und -umsetzung: Ein mit Süßwasser und ein mit Brackwasser wiedervernässtes Küstenmoor. Im wiedervernässten Süßwassermoor, das eine Dürre erlebte, bevor eine Sturmflut das Gebiet mit Brackwasser überschwemmte, wurde ein Rückgang seiner zuvor hohen CH4 Emissionen beobachtet. Während die absoluten Abundanzen der methanogenen Archaeen während der Dürre abnahmen, konnten wir nach dem Einstrom des Brackwassers keine weitere Reduktion feststellen. Obwohl ein großer Teil des Rückgangs der CH4 Emissionen sicherlich auf die Dürre zurückzuführen ist, könnte die zunehmenden Abundanzen von sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) nach dem Einstrom des Brackwassers zu einem Wettbewerb mit Methanogenen um Substrat geführt haben. Zusätzlich oder alternativ dazu könnten SRB an der anaeroben Oxidation von CH4 beteiligt sein. Wir konnten jedoch weder eine Zunahme von Methanoxidation noch steigende Abundanzen von anaeroben Methanotrophen im Boden beobachten. Dies deutet darauf hin, dass die Methanotrophie in der Wassersäule oberhalb des untersuchten Moorbodens stattgefunden haben könnte. Im Gegensatz dazu wies das mit Brackwasser wiedervernässte Niedermoor unmittelbar nach der Wiedervernässung relativ geringe CH4 Emissionen auf als mit Süßwasser wiedervernässte Niedermoore. Im Vergleich zum entwässerten Zustand des Niedermoors nahmen SRB und Methanogene nach der Wiedervernässung zu, aber die Konkurrenz um das organische Substrat und stattfindende Methanoxidation begrenzten höchstwahrscheinlich übermäßige CH4 Emissionen. Die hohen CO2 Emissionen gingen jedoch trotz Wiedervernässung nicht wie erwartet zurück, während die Ökosystematmung und damit der Torfabbau stark reduziert wurden. Wir beobachteten ein starkes Absterben von sowohl Grünlandpflanzen als auch der grabennahen Moorvegetation nach der intensiven Überflutung mit Brackwasser. Unabhängig von der Torfzersetzung könnte der Grund für die anhaltenden CO2 Emissionen an den großen Mengen an organischem Substrat liegen, welches für die Ökosystematmung nach der Widervernässung zur Verfügung stand. Außerdem konnten die hohen CO2 Emissionen nicht verhindert werden, weil die CO2 Aufnahme durch Photosynthese fehlte. Diese Dissertation leistet einen Beitrag zur Diskussion über die Wiedervernässung von Küstenmooren und liefert neue Erkenntnisse über das Zusammenspiel von Mikrobiologie und Biogeochemie in verschiedenen räumlichen Kompartimenten eines Moores. Es wird gezeigt, dass nicht nur der Wassertyp, sondern auch die Häufigkeit des Brackwassereintrags und die Intensität der Überflutung für die Reduzierung von Treibhausgasemissionen von Bedeutung sein können. Um Wiedervernässungsansätze für künftige Projekte zu definieren und zu evaluieren, ist ein Vergleich wiedervernässter Moore anhand ihrer Entwicklung bezüglich der THG erforderlich. Darüber hinaus werden langfristiges Monitoring und multidisziplinäre Forschung benötigt, um Erkenntnisse zu gewinnen, die über das erste Jahr des Brackwassereinflusses in Küstenmooren hinaus gehen.