Sara Elizabeth Anthony

• Coastal wetlands, including lagoons, marshes, and peatlands, are exceptionally important ecosystems that provide many ecosystem services and functions, and exert a substantial influence on global climate. As global climate change progresses, permafrost and ice sheets will continue to thaw and sea levels will rise, in turn causing inundation of coastal wetlands, such as thermokarst lakes, peatlands, and salt marshes. Inundation of sea water will also bring sulfate to freshwater systems, potentially reducing methane emissions, but also producing other negative ecosystems responses, such increased nutrient release, including dissolved organic carbon, ammonium, phosphate, iron, and many others. This thesis discusses the results of three studies from two coastal wetlands investigating the impact of sulfate on the biogeochemistry and microbial ecology of these sites, in conjunction with results from other studies. In study 1, two thermokarst lakes and a thermokarst lagoon took the form of a natural laboratory to investigate how sulfate intrusion impacted the methane-cycling microbial community by altering the geochemistry of the lagoon. In addition to changes in the geochemistry, marine water intrusion also introduced and provided habitat for classical marine consortia of sulfate reducers and anaerobic methane oxidizers called ANME, which formed an effective filter on methane produced in the sediments. Sulfate intrusion also reformed the microbial community, and did not follow classical marine biogeochemical process zonation. In study 2, the effects of brackish water rewetting on greenhouse gas dynamics in a previously drained and freshened peatland were investigated. Monitoring activities were conducted before and after rewetting to determine if brackish water rewetting was an effective way to reduce methane emissions in rewetted peatlands. Initial results showed that methane emissions were reduced compared to similar freshwater peatland rewetting projects, however carbon dioxide release remained higher than expected. Study 3 examined whether the microbial community from the same field site as study 2 was adapted to the new conditions two years post-rewetting. In an incubation experiment, soil samples from three depths were subjected to two different salinity regimes, representing the range of expected salinities experienced by the microbial community since rewetting over the course of 3 months, with special attention paid to differences in biogeochemistry and the microbial community. Contrary to expectations, the largest influence on biogeochemistry and the microbial community came from legacy sulfate deposits from when the site was previously connected to the Baltic Sea as a brackish marsh in the early 1900s. The overall picture of sulfate intrusion and methane cycling is somewhat clouded. In general, increased sulfate concentrations do lower methane emissions, but also induces increased releases of other nutrients. One part of the larger solution to curtailing methane emissions in natural systems, especially those impacted by anthropogenic activities, could be increased methanotrophy which is not necessarily reliant on sulfate. A plan forward is proposed in the synthesis, which encourages more research into the topic of sulfate introduction to freshwater systems and a different way to tackle methane emissions through encouraging natural mitigation through microbial methanotrophy.
• Küstenfeuchtgebiete, darunter Lagunen, Sümpfe und Moore, sind außerordentlich wichtige Ökosysteme, die zahlreiche Ökosystemleistungen und -funktionen erbringen und einen erheblichen Einfluss auf das globale Klima haben. Mit fortschreitendem Klimawandel werden Permafrost und Eisschilde weiter auftauen und der Meeresspiegel steigen, was wiederum zur Überflutung von Küstenfeuchtgebieten wie Thermokarstseen, Mooren und Salzwiesen führt. Durch die Überflutung mit Meerwasser gelangt zudem Sulfat in Süßwassersysteme, was potenziell zu einer Verringerung der Methanemissionen führt, aber auch andere negative Ökosystemreaktionen hervorruft, wie beispielsweise eine erhöhte Nährstofffreisetzung, darunter gelöster organischer Kohlenstoff, Ammonium, Phosphat, Eisen und viele weitere. Diese Arbeit diskutiert die Ergebnisse dreier Studien zu zwei Küstenfeuchtgebieten, die den Einfluss von Sulfat auf die Biogeochemie und mikrobielle Ökologie dieser Standorte untersuchten, in Verbindung mit Ergebnissen anderer Studien. In Studie 1 dienten zwei Thermokarstseen und eine Thermokarstlagune als natürliches Labor, um zu untersuchen, wie sich Sulfatintrusion auf die mikrobielle Gemeinschaft des Methankreislaufs auswirkte, indem sie die Geochemie der Lagune veränderte. Neben den geochemischen Veränderungen führte die Meerwasserintrusion auch zu der Einführung und Schaffung von Lebensraum für klassische marine Konsortien von Sulfatreduzierern und anaeroben Methanoxidierern (ANME), die einen wirksamen Filter für in den Sedimenten produziertes Methan bildeten. Die Sulfatintrusion veränderte zudem die mikrobielle Gemeinschaft und folgte nicht der klassischen marinen biogeochemischen Prozesszonierung. In Studie 2 wurden die Auswirkungen der Brackwasserwiedervernässung auf die Treibhausgasdynamik in einem zuvor entwässerten und aufgefrischten Moorgebiet untersucht. Vor und nach der Wiedervernässung wurden Überwachungsmaßnahmen durchgeführt, um festzustellen, ob die Brackwasserwiedervernässung ein wirksames Mittel zur Reduzierung der Methanemissionen in wiedervernässten Moorgebieten darstellt. Erste Ergebnisse zeigten, dass die Methanemissionen im Vergleich zu ähnlichen Süßwasser-Wiedervernässungsprojekten in Moorgebieten reduziert wurden, die Kohlendioxidfreisetzung jedoch höher als erwartet blieb. Studie 3 untersuchte, ob sich die mikrobielle Gemeinschaft am selben Standort wie in Studie 2 zwei Jahre nach der Wiedervernässung an die neuen Bedingungen angepasst hatte. In einem Inkubationsexperiment wurden Bodenproben aus drei Tiefen zwei verschiedenen Salzgehaltsregimen ausgesetzt, die die Bandbreite der erwarteten Salzgehalte repräsentierten, denen die mikrobielle Gemeinschaft seit der Wiedervernässung über einen Zeitraum von drei Monaten ausgesetzt war. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf Unterschiede in der Biogeochemie und der mikrobiellen Gemeinschaft gelegt. Entgegen den Erwartungen stammte der größte Einfluss auf die Biogeochemie und die mikrobielle Gemeinschaft von Sulfatvorkommen aus der Zeit, als der Standort Anfang des 20. Jahrhunderts als Brackwassermarsch mit der Ostsee verbunden war. Das Gesamtbild der Sulfatintrusion und des Methankreislaufs ist etwas getrübt. Generell verringern erhöhte Sulfatkonzentrationen zwar die Methanemissionen, führen aber auch zu einer erhöhten Freisetzung anderer Nährstoffe. Ein Teil der umfassenderen Lösung zur Eindämmung der Methanemissionen in natürlichen Systemen, insbesondere solchen, die durch anthropogene Aktivitäten beeinflusst werden, könnte eine erhöhte Methanotrophie sein, die nicht unbedingt auf Sulfat angewiesen ist. In der Synthese wird ein Plan für die Zukunft vorgeschlagen, der weitere Forschungen zum Thema Sulfateinleitung in Süßwassersysteme und einen anderen Weg zur Bekämpfung von Methan-Emissionen durch die Förderung natürlicher Minderung durch mikrobielle Methanotrophie fördert.