Erforschung von Flüssen rund um den Globus nach Hinweisen auf Kohlenstoff und Klimawandel

Abhängig von der Sauerstoffmenge in den Proben würden die Deckel der Fläschchen auf den der Kamera zugewandten Rollen im dunklen Licht rot oder grün aussehen, sagte Laan. Der Sauerstoffgehalt lässt darauf schließen, wie viel Atmung im Flusskorridor stattfindet. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Von Grace Finnell-Gudwien

Bre Waterman watet in den fließenden Missouri River in der Nähe der Stadt St. Joseph an der Grenze zwischen Kansas und Missouri. Der Doktorand der University of Kansas sammelt Flusswasser in einem dunkelbraunen Plastikbehälter von der Größe einer Ketchupflasche. Sie sammelt auch Sedimente vom Flussboden und schöpft den nassen Schlamm in 5 Zoll lange Reagenzgläser. Nachdem Waterman 16 Proben gesammelt hat, packt er alle Materialien sorgfältig zusammen mit Eisbeuteln in einen verbeulten Karton, klebt ihn zu und verschickt ihn per Post quer durch das Land nach Richland, Washington.

Waterman ist Teilnehmer des Worldwide Hydrobiogeochemical Observation Network for Dynamic River Systems (WHONDRS). Es ist ein ziemlich zungenbrecherischer Titel für ein Flusskorridor-Forschungsprojekt, das vom Pacific Northwest National Laboratory in Richland durchgeführt wird. Sie ist eine von fast 100 Mitwirkenden, die nicht mit PNNL verbunden sind und für das Projekt Flusswasser- und Sedimentproben sammeln. Die Wissenschaftler, Studenten und Bürger auf der ganzen Welt beantragten und erhielten die Probenahmekits vom Flusskorridorteam des PNNL und schickten die Kits nach der Probenahme der erforderlichen Materialien zur Analyse an PNNL zurück, sagte Lupita Renteria, eine Labortechnikerin bei WHONDRS .

Proben kommen aus dem Jordan in Israel, dem Orco River in Italien, dem Nakdong River in Südkorea, dem Fraser River in Kanada und vielen anderen. Durch das Sammeln von Proben aus den gesamten Vereinigten Staaten und der ganzen Welt kann das WHONDRS-Team erkennen, wie sich der Klimawandel und durch den Klimawandel verursachte Auswirkungen wie Waldbrände und erhöhte Kohlendioxidemissionen auf Flüsse in verschiedenen Teilen der Welt auswirken.

Um sicherzustellen, dass die Proben weltweit konsistent sind, überprüft das Flusskorridorteam noch einmal, dass jedes versendete WHONDRS-Kit die gleichen Materialien und Anweisungen enthält. „Es ist alles sehr spezifisch … egal wo sie sind, sie haben das Gleiche“, sagte Renteria. Das Team enthält auch zusätzliche Materialien für den Fall, dass der Teilnehmer etwas kaputt macht.

Das Team bringt außerdem Bestandskontrolletiketten an allen Sammelmaterialien an, um zu sehen, von welchen Standorten die Materialien wann zurückkommen. Auf diese Weise können sie im Auge behalten, welche Materialien noch bei den Teilnehmern vor Ort sind.

„Wir versuchen wirklich, fast alles zu berücksichtigen“, sagte Sophia McKever, eine weitere Labortechnikerin im River Corridor-Team.

Sobald eine Teilnehmerin wie Waterman ihre fertigen Kit-Proben per Post an das Labor schickt, verfügt das Team über ein intensives Protokoll zum Auspacken und Aufzeichnen der Daten. Diese Daten werden mit Daten aus anderen WHONDRS-Kits verwendet, um zu sehen, wie Nährstoffe wie Sauerstoff und Kohlendioxid in Flusskorridoren weltweit inmitten eines sich schnell ändernden Klimas variieren.

Beim Auspacken der WHONDRS-Kits scannen Dillman Delgado Paredes (links) und Maggi Laan die darin enthaltenen Kartons und Proben, um eine reibungslosere Datenerfassung zu ermöglichen. Sie und der Rest des River-Corridor-Teams packen jede Woche mindestens ein Paket aus, sagte Laan. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Dillman Delgado Paredes, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter des Post-Masters, trägt die schmutzige weiße Kiste herein und stellt sie auf einen Plastikwagen mit Rädern. Er schneidet einen Schlitz in das Klebeband und öffnet die Schachtel.

„Ooooh.“

Diese spezielle Box – ein Bausatz, der aus dem Nachbarstaat Oregon zurückkommt – ist besonders schmutzig. Die Eisbeutel sind immer noch gefroren, aber einer von ihnen ist undicht, und ihr Kondenswasser hat den Kasten verunreinigt, weil es sich mit verstreutem Schmutz und Sedimenten vom Feld vermischt hat.

Nachdem der anfängliche Schock nachgelassen hat, beginnt das Team mit dem Auspacken des Kits. Als Erstes stehen zwei größere Behälter voller Wasser. Einer der Behälter soll gefiltert werden, der andere nicht. Beides ist in diesem Fall nicht der Fall, daher muss das Team eines im Labor herausfiltern. Das Team misst auch die Temperatur dieses Wassers? 0,5 °C.

Als nächstes scannt das Team die QR-Inventarcodes, um die Proben in ihrem Laborcomputernetzwerk zu registrieren und sicherzustellen, dass alle Proben vorhanden sind. Da es sich bei den QR-Codes um Papieraufkleber auf der Außenseite der Flaschen handelt, lösen sie sich manchmal und das Team gibt die Daten manuell ein.

Während das Team einen weiteren Druckverschlussbeutel in Gallonengröße herausholt, kann es in den Rest der feuchten Kiste blicken. Es gibt ein kollektives Stöhnen.

„Oooh. Sie haben es nicht sehr gut verpackt“, sagte Maggi Laan, eine weitere wissenschaftliche Mitarbeiterin im Post-Master-Studium. „Normalerweise sehen sie viel schöner aus; Dieses ist nicht sehr fotogen.“

Das Team bittet die Teilnehmer, 16 separate Proben zu sammeln, wobei für einige Probentypen drei Fläschchen erforderlich sind. Das bedeutet, dass das Team viele Fläschchen und Flaschen auspacken muss.

Das Team manövriert um einige zerbrochene Fläschchen herum und packt weiterhin das schlechteste Kit aus, das Laan in ihrem Jahr bei WHONDRS gesehen hat. Neben dem Scannen der Fläschchen achtet das Team darauf, sicherzustellen, dass die Fläschchen bis zum richtigen Füllstand gefüllt sind. Wenn sie zu voll sind, schüttet das Team etwas aus, damit die Glasfläschchen beim Einfrieren nicht zerbrechen und sich das Wasser ausdehnt. Wenn die Fläschchen nicht genug Wasser enthalten, wird das Team dies notieren. Offensichtlich würde das Auffüllen des Fläschchens mit Leitungswasser die Probe zerstören. Bei diesem Kit waren einige Fläschchen zu wenig und eines zu voll – zum Glück fehlten sogar bei den zu wenig gefüllten nur ein Milliliter.

Sobald alle Fläschchen und Behälter ausgepackt, gescannt und vorbereitet sind, teilt das Team die durchzuführenden Analysen auf. Paredes siebt das Sediment aus der ketchupgroßen Flasche und drückt den Schlamm mit einem kleinen Metallspatel durch ein Sieb von der Größe eines Esstellers. Der Teilnehmer hat das Sediment bereits vor Ort gesiebt, doch das Team wiederholt diesen Schritt im Labor immer wieder. Als er fertig war, verwandelte sich der Schlamm von einer körnigen, tonartigen Textur in eine glatte Farbkonsistenz.

Die anderen Teammitglieder nehmen Teilproben der anderen Fläschchen, trennen Wasser und Sediment, filtern Wasser und gefrieren einige davon mit Stickstoff blitzschnell. Sie erfassen verschiedene biogeochemische Eigenschaften des Wassers, darunter den pH-Wert, die spezifische Leitfähigkeit, organische Stoffe, Ionen und Mikroben. Sie bereiten auch Fläschchen zur Messung des Sauerstoffverbrauchs vor.

„Wir erhalten [die Kits] mittwochs und nehmen eine Teilprobe des Sediments. Morgen werden wir den gelösten Sauerstoff messen“, sagte Laan.

Wie bereits im vergangenen Jahr packt die Gruppe jeden Mittwoch ein bis drei Pakete aus. Der Kühlschrank mit den Probenresten beweist es. Laan spielt im Wesentlichen Tetris, um einen Platz zu finden, an dem er die Tüte mit den Resten dieser Woche in den Kühlschrank stellen kann.

„Unsere Gefrierschränke sind sehr voll und jede Woche ist es schwierig, Sachen hineinzuräumen“, sagte sie.

Viele Kühlschränke im Labor, das sich in der Biological Science Facility am PNNL befindet, sind liebevoll nach Eis-Pokémon benannt, darunter Amaura, Cubchoo und Spheal. Jeder Kühlschrank enthält spezifische Proben für verschiedene Analysen.

Die Flusskorridorforscher sammeln Fläschchen mit Sedimenten und Wasser, um die Nährstoffkonzentrationen in den Flüssen auf der ganzen Welt zu untersuchen. Das Team von PNNL bewertet die eingesandten Proben, um sicherzustellen, dass jedes Fläschchen die richtige Menge an Material enthält, sagte Laan. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Am nächsten Morgen misst das Team den gelösten Sauerstoff in den Proben. Die Messung des gelösten Sauerstoffs über mehrere Stunden wird zeigen, wie viel Sauerstoff von den Mikroorganismen im Wasser verbraucht wird und wie diese Mikroorganismen Kohlendioxid produzieren und nutzen – insbesondere angesichts der höheren Mengen an Kohlendioxid, die aufgrund der Emissionen fossiler Brennstoffe aus der Luft in das Wasser aufgenommen werden.

Die Messung des gelösten Sauerstoffs in Flusssedimenten und Wasser kann dem Team helfen zu verstehen, wie Nährstoffe – insbesondere Kohlenstoff – zwischen dem Flussökosystem und der Umgebung zirkulieren. „Das ist besonders wichtig, da der Klimawandel den Fluss dazu zwingt, zunehmend atmosphärisches Kohlendioxid zu speichern und einem sich erwärmenden Planeten gegenübersteht“, sagte Tim Scheibe, der Hauptforscher des River Corridor Science Focus Area-Projekts am PNNL, zu dem auch WHONDRS gehört.

Mikroben und Pflanzen gleichen in einem Flussökosystem auf natürliche Weise Sauerstoff und Kohlendioxid aus, sagte Scheibe. Die Forschung von WHONDRS kann Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie sich menschliche Zusätze auf dieses natürliche Gleichgewicht auswirken.

Um den gelösten Sauerstoff für WHONDRS zu messen, gibt das Team Wasser in die Fläschchen und bläst 20 Sekunden lang Luft in das Sediment und das Wasser. Zwischen den Belüftungsvorgängen schütteln sie die Fläschchen 5 Sekunden lang. Sie tun dies in einer Klimakammer, die die Luft im Raum auf einer bestimmten Temperatur und Luftfeuchtigkeit hält, und inkubieren die Fläschchen hier. Anschließend misst das Team den Sauerstoff in der Klimakammer und gibt die Daten manuell in einen Computer ein. Dieser Vorgang dauert zwei Stunden.

Gelöster Sauerstoff ist auch eine wichtige Messung für andere Flusskorridorforschungen, beispielsweise für das Forschungsprojekt Early Career Award (ECA) von WHONDRS, Co-Leiter von James Stegen, das sich mit gelöster organischer Substanz und der Chemie von Flüssen weltweit befasst. Auch für dieses Projekt messen die Forscher gelösten Sauerstoff.

Für dieses Projekt füllt das Team die Sedimentproben in 50-Milliliter-Fläschchen und füllt die Fläschchen dann vollständig mit Wasser, wobei darauf geachtet wird, dass keine Luftblasen eindringen, da diese eine andere Sauerstoffkonzentration als die Probe haben.

Während zwei Teammitglieder dies tun, kalibriert Laan den Sauerstoffsensor, der je nach Sauerstoffmenge in der Probe rote oder grüne Scheiben unter Schwarzlicht verwendet. Da der Sensor Schwarzlicht benötigt, muss der Laborraum dunkel sein. Die Teammitglieder, die die Fläschchen füllen, müssen Stirnlampen tragen, um sehen zu können.

„Das Setup kann etwas hektisch sein“, sagte Laan. „Es gibt eine Lernkurve, und man muss im Dunkeln handeln.“

Sobald die Fläschchen fertig sind, legt das Team die Sauerstoffsensorscheiben darauf und legt die Fläschchen auf Rollen, die die Fläschchen drehen, während eine Kamera alle zwei Minuten mit Schwarzlicht ein Bild von ihnen aufnimmt. Die Farbe der Scheiben im Bild zeigt an, wie viel gelöster Sauerstoff vorhanden ist.

Nachdem die Teamforscher die Sauerstoffkonzentration gemessen haben, wenden sie sich den Fläschchen zu, um Leitfähigkeit, Temperatur und Eisen zu dokumentieren. Diese Variablen können die Sauerstoffkonzentration beeinflussen, sodass ihre Messung dem Team hilft, besser zu verstehen, warum die Sauerstoffkonzentration von Ort zu Ort variieren kann, sagte Brianna Gonalez, eine Technikstudentin beim Flusskorridorteam.

„Das ist der Teil, der zeitkritischer ist“, sagte Gonzalez. „Wir wollen es so nah wie möglich an die Inkubationszeit heranbringen.“

Paredes siebt das von einem Teilnehmer gesammelte Sediment, indem er es durch einen kleinen Metallfilter drückt. Dieses Sediment wird zur Messung der Nährstoffkonzentrationen im Flusskorridor verwendet, was den Wissenschaftlern Aufschluss darüber gibt, wie sich der Klimawandel auf die Flüsse auswirkt, sagte Tim Scheibe, der Hauptforscher der River Corridor Science Focus Area. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Um einen Einblick in den Nährstoffkreislauf und die weltweiten Unterschiede anderer Flusseigenschaften zu erhalten, müssen Flusskorridorforscher Daten aus Afrika, Europa, Asien, Amerika und anderen Gebieten sammeln. Da das WHONDRS-Projekt und andere Forschungsarbeiten im wissenschaftlichen Schwerpunktbereich des PNNL Daten aus Proben sammeln, die von anderen Wissenschaftlern und Bürgerwissenschaftlern eingesandt wurden, müssen die Forscher bestimmen, von wo sonst auf der Welt Proben gesammelt werden sollen. Um dies zu entscheiden, nutzt das Flusskorridorteam einen interaktiven Modellexperiment-Ansatz (ModEx), sagte Peishi Jiang, ein junger Erdwissenschaftler.

Um den ModEx-Ansatz zu nutzen, nutzt das Flusskorridorteam Beobachtungsdaten aus dem Feld und im Labor, um Modelle zu kalibrieren und Ökosysteme zu bestimmen, in denen zusätzliche Daten die Modelle verbessern könnten. Nachdem die Forscher neue Regionen definiert haben, aus denen Proben entnommen werden sollen, gehen sie ins Feld oder fordern Daten aus diesen Gebieten an.

„So möchte man gute Wissenschaft betreiben“, sagte Jiang und erwähnte, dass der ModEx-Ansatz eine „intuitive“ Möglichkeit sei, Informationen zu sammeln und anzuwenden.

Das Team nutzt Hochleistungs- und Supercomputer, um abhängig von den eingegebenen Variablen prozessbasierte 2D- und 3D-Modelle zu erstellen. Einige der Supercomputer nutzen 1.000 Zentraleinheiten; Im Vergleich dazu verbraucht ein normaler Laptop etwa 16, sagte Jiang.

Die vom Team verwendeten Modelle berücksichtigen die Eigenschaften von Flusskorridoren und wie sich der Klimawandel auf sie ausgewirkt hat, einschließlich Nährstoffkreisläufen, Landbedeckung, Bodentypen und Bodenporosität. Ein wichtiger Bestandteil der Modelle ist die Auswirkung von Waldbränden auf Flusskorridore – eine große Auswirkung des Klimawandels, die PNNL in unmittelbarer Nähe trifft. Da die Brandgebiete so nah beieinander liegen, verbringt das Team viel Zeit damit, sich die nahegelegenen Gebiete anzusehen, die kürzlich von Bränden betroffen waren, beispielsweise das Yakima-Flussbecken. Innerhalb des größeren Columbia River Basin liegt dieses 6.155 Quadratmeilen große Wassereinzugsgebiet im zentralen Teil des südlichen Washington; PNNL liegt in der südöstlichen Ecke des Gebiets.

„Wir wollen das gesamte Wassereinzugsgebiet vorhersagen“, sagte Bing Li, ein Postdoktorand. „Im pazifischen Nordwesten sehen wir weitere schwere Waldbrände.“ Er sagte, dass sie den Boden am meisten belasten.

Um diese Auswirkungen von Waldbränden zu modellieren, berücksichtigt das Team sowohl die hydrologischen als auch die biogeochemischen Prozesse, beispielsweise wie viel Wasser in den Boden eindringen kann, wie Stickstoff und Kohlenstoff durch den Boden zirkulieren und wie viel Blattfläche und Vegetation im Wassereinzugsgebiet reduziert werden nach Bränden. Das Team untersucht auch, wie schwer das Feuer in der Gegend war.

Wenn das Feuer schlimmer sei, werde der Boden weniger durchlässig, weil er verkohlt sei, sagte Li. Dies kann dazu führen, dass das Gebiet bei Regen anfälliger für Überschwemmungen wird, da das Wasser nicht so leicht vom Boden aufgenommen werden kann. Es überrascht nicht, dass Feuer eine Fläche austrocknet und somit auch die Blattfläche verringert.

Innerhalb des Yakima-Flussbeckens verfügt das Team auch über räumliche und zeitliche Standorte für eigene Probenahmen. Das Team besucht die räumlichen Standorte nicht so häufig, sondern besucht abwechselnd zu zweit monatlich die sechs zeitlichen Standorte – vorausgesetzt, die Standorte sind zugänglich. Im Winter schneite das Team manchmal an den Standorten weiter nördlich in den Cascade Mountains, sagte McKever, der bei der Probenahme hilft.

Die Probenahme an diesen Standorten ähnelt den WHONDRS-Kits, die das Team verschickt, sagte Laan. Bei diesen Proben werden pro Standort etwa ein Dutzend Fläschchen und Behälter gesammelt, um den pH-Wert, die Ionen, die Leitfähigkeit und andere biogeochemische Eigenschaften des Wassers und Sediments zu messen.

PNNL liegt in Richland, Washington, in der südöstlichen Ecke des Yakima River Basin. Dieses Bild wurde vom Gipfel des Badger Mountain in Richland (ca. 15 Autominuten von PNNL entfernt) aufgenommen und ist nach Nordwesten in Richtung des Yakima-Flussbeckens ausgerichtet. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Projekt-Co-Leiter Stegen sagte, weltweite Daten über Flüsse seien für alle wichtig und eine offene, integrative Wissenschaft sei dafür von entscheidender Bedeutung.

„Man muss über Kenntnisse der Erdsysteme auf der ganzen Welt verfügen“, sagte Stegen und wies darauf hin, dass die Forschung von PNNL früher viel lokaler war. „Von da an haben wir uns zu einem globalen Forschungsprogramm zu Flusskorridoren entwickelt.“

Die WHONDRS-Kampagne folgt einem wissenschaftlichen Rahmen namens ICON, sagte Stegen. Dies bedeutet, dass sie mehrere wissenschaftliche Bereiche wie Biologie, Chemie, Hydrologie und Informatik in ihre Forschung integrieren. Die Forschung muss koordiniert und konsistent sein, damit andere die gleichen Forschungsaufgaben durchführen können, beispielsweise um sicherzustellen, dass die WHONDRS-Kits verständlich und einfach zu verwenden sind.

Sobald Daten erfasst sind, hat der offene Zugriff darauf Priorität. Stegen sagte, dass die Wissenschaftswelt derzeit eine „Open-Science-Revolution“ erlebe. „Offen“ bedeutet, dass die Daten sauber, nutzbar und für alle verfügbar sein müssen. Bisher hätten Menschen aus 20 Ländern und 60 Institutionen WHONDRS-Daten genutzt, sagte Stegen. Sie können auf WHONDRS-Daten auf der WHONDRS-Website zugreifen.

Schließlich ist die WHONDRS-Forschung vernetzt. Während des gesamten Forschungsprozesses spricht das Team mit anderen Wissenschaftlern, die möglicherweise ähnliche Interessen haben und bei ihrer Forschung helfen. Wenn das Team beispielsweise im Yakima-Wassereinzugsgebiet Proben sammelt, sammelt es manchmal zusätzliche Proben für andere Wissenschaftler, die ihre eigenen Anweisungen dazu geben, welche Proben sie benötigen; McKever und Laan haben dies beim letzten Mal getan, als sie probierten. Diese Vernetzung sei ein „gegenseitiger Vorteil“ für alle beteiligten Forscher, sagte Stegen.

„Mir wurde nie beigebracht, Naturwissenschaften auf diese Weise zu betreiben“, sagte Stegen. „Ich habe es wirklich genossen, in dieses Umfeld zu kommen.“

Durch die Befolgung dieser Grundsätze kann die Flusskorridorforschung problemlos weltweit angewendet und übertragen werden. Bre Watermans Probe aus dem Missouri River hilft dabei, den Nährstoffkreislauf im Yakima River Basin zu untersuchen, und beide helfen bei der Erstellung von Modellen, um zu sehen, wo als nächstes Proben genommen werden sollten. Angesichts der Erwärmung und des Klimawandels ist diese vernetzte Forschung von entscheidender Bedeutung, um mehr über unsere Flüsse zu erfahren und sie zu schützen.

Grace Finnell-Gudwien ist freiberuflicher Wissenschafts- und Umweltreporter. Außerdem ist sie 2023 Doktorandin an der Medill School of Journalism der Northwestern University.