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Main Title: Greenhouse gas formation and flux across boundaries in urban water bodies
Translated Title: Treibhausgasbildung und grenzüberschreitender Fluss in städtischen Gewässern
Author(s): Herrero Ortega, Sonia
Advisor(s): Casper, Peter
Gessner, Mark
Singer, Gabriel
Referee(s): Gessner, Mark
Thalasso, Frédéric
Grossart, Hans Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Methane (CH4) emissions from urban fresh water are starting to be addressed. CH4 as a greenhouse gas (GHG), enhances global warming of the earth. Any anthropogenic source of this greenhouse gas should be understood in order to reduce its atmospheric concentrations. On the other side, urban areas and expanding, and they modify surface waters. Recent literature has superficially approached the effect of fresh water modifications by cities on CH4 dynamics. This lack of information seems essential as most of the urban areas are established near freshwater sources. This doctoral dissertation aimed to investigate the dynamics of surface fresh water CH4 in urban areas. This doctoral dissertation uses two temperate cities, Berlin in Germany and Madison, Wisconsin, USA. Whole city scale in the case of Berlin is used to calculate the first freshwater footprint form a European city. This first study also served to identify drivers of CH4 emissions in the water chemistry and the surrounding land use to each waterbody type (lakes, ponds, rivers and streams) summing 32 sites and sampled over a whole year. This study pointed to small water bodies as the hotspots of methane emission rates, while in area, lakes account for more than half of the annual emission. Streams were studied in multiple spatial scales in the second study, performed in Madison. Three streams were analysed at fine scales of 10 to 500 m, with the same methodology as in the previous study in Berlin. The aim was to understand what is the spatial autocorrelation of CH4 emissions. This study would enable me thus to know the error of the single point measurement extrapolation from Berlin. I found high patchiness of methane in urban streams in the order of 1.2 km. This result pointed out that there was an error in the extrapolation footprint as we missed variability in the fluvial network, but still was only the second estimation done in the world. From both studies, I also found high nutrient states as the main surface water explanatory variable for methane emissions. The explanatory power of surface water chemistry or land uses was lower than the one found in the sediments. A third study was conducted in the same sampling sites from Berlin, looking at the methane production and sediment characteristics, with special emphasis on specific pollutants (e.g. heavy metals or Diclofenac). I didn’t find any effect of the pollutants. Most of the production was driven by the organic matter content and the trophic state. This matches the results from the water chemistry but points to the high organic sediment found in the city of Berlin. This results could be easily extrapolated to other cities as usually loads from runoff are high and flow regimes are low. This dissertation provides a whole city methane footprint from fresh water. This footprint is in the same range as the only reference in the literature. Methane emission rates found are higher than in natural homologous water bodies, reflecting the profound effect cities have urban surface waters. Small water bodies have the highest emission rates. Most systems in urban areas tend to have high organic sediment and be a potential source of this GHG. Stakeholders should consider these results and take actions on the organic load urban fresh water receives to avoid higher methane emissions.
Methan ist als Treibhausgas an der globalen Erderwärmung beteiligt. Um die atmosphärische Methankonzentration reduzieren zu können, müssen die natürlichen und anthropogen beeinflussten Quellen bekannt sein. Als eine natürliche Quelle des Gases wurden Binnengewässer identifiziert. Jedoch können anthropogene Veränderungen der Gewässer zur Steigerung der Methanemission führen. Erst seit kurzem werden urbane Gewässer, die meist starkem anthropogenem Druck ausgesetzt sind, hinsichtlich der CH4-Emissionen untersucht. Diese Dissertation widmet sich der Untersuchung der CH4-Dynamik in Oberflächengewässern urbaner Räume. Die Studien wurden in zwei Städte temperierter Klimazonen, Berlin in Deutschland und Madison in Wisconsin, USA, durchgeführt. In Berlin wurde auf Basis eines gesamtstädtischen Ansatzes der erste Methan -„footprint“ einer europäischen Stadt ermittelt. In dieser ersten Studie wurden auch die die Emission regulierenden Parameter, innerhalb der Wasserchemie und der Landnutzung in den Einzugsgebieten untersucht. Die Berliner Gewässersysteme wurden in die Klassen ‚Seen, Teiche, Flüsse und Bäche‘ eingeteilt, aus denen zufällig insgesamt 32 Untersuchungsstelle ausgewählt wurden. Alle wurden je einmal während der vier Jahreszeiten innerhalb eines Jahres beprobt. Es zeigte sich, dass kleine Wasserkörper „hotspots“ der Methanemission pro Quadratmeter Gewässerfläche darstellen. Aufgrund der deutlich größeren Gesamtfläche der Seen, ist deren Gesamtemission deutlich höher und stellt mehr als die Hälfte der totalen jährlichen Emission dar. Im zweiten Teil der Studie wurde die räumliche Variabilität der CH4-Emission aus Flüssen in Madison, USA, studiert. In hoher Auflösung von 10 bis 500 m wurden drei Flüsse mit identischer Methodik wie in dem Berliner Teil der Studie, untersucht. Dadurch konnte aus den hoch aufgelösten Messungen auch auf die Genauigkeit der punktuellen Messungen in Berliner Flüssen geschlossen werden. Es zeigte sich eine deutliche räumliche Variabilität in Flussabschnitten von 1,2 km Länge. Diese Variabilität konnte in den Berliner Flüssen nicht berücksichtigt werden. Jedoch stellen die Ergebnisse einen ersten Datensatz dar, der ebenso wie der weltweit einzig publizierte zweite Datensatz in weiteren Studien verfeinert werden muss. In beiden Studien konnte die Methanemission vor allem durch den Nährstoffgehalt im Wasserkörper erklärt werden. Der dritte Teil der Dissertation wurde in den identischen Untersuchungsobjekten (32) durchgeführt. Die potentielle Methanproduktion in Sedimenten wurde in Inkubationsexperimenten ermittelt. Schadstoffe, besonders Schwermetalle und Organika wie Diclofenac, wurden als Regulatoren der mikrobiellen Methanproduktion analysiert. Es konnte jedoch kein Effekt nachgewiesen werden. Die Produktion wurde vor allem durch den Gehalt an organischem Material und den Trophiezustand reguliert. Das Ergebnis deckt sich mit dem Ergebnis der Wasserchemie. Da die Fracht an organischem Material und Nährstoffen in die Gewässer in den meisten Städten sehr hoch ist, bei niedrigen Fliessgeschwindigkeiten, ist eine relativ hohe potentielle Methanbildung in urbanen Gewässern vorauszusagen. Diese Dissertation liefert eine Angabe zur Gesamtemission von Methan aus allen aquatischen Systemen der Großstadt Berlin. Dieser „footprint“ ist ähnlich zu dem einzig publizierten einer anderen Metropole (Mexiko City). Die Emissionen sind höher als in vergleichbaren natürlichen Gewässern, was den Effekt der urbanen Besiedlung widerspiegelt. Kleine Gewässer zeigen die höchsten Emissionsraten. Die meisten urbanen Gewässer sind aufgrund der hohen Anteile an organischem Material in den Sedimenten potentielle Quellen des Treibhausgases Methan. Ziel planerischer Entscheidungen sollte eine Reduzierung der Frachten an organischem Material und an Nährstoffen in urbane Oberflächengewässer sein, um langfristig den Anteil der aquatischen Treibhausgasfreisetzung zu reduzieren.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10244
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9206
Exam Date: 22-May-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 19-Dec-2019
DDC Class: 551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Subject(s): methane
aquatic ecology
greenhouse gas
urban ecology
Methan
staatliche Ökologie
Treibhausgas
aquatische Ökologie
Sponsor/Funder: DFG, GRK 2032, Grenzzonen in urbanen Wassersystemen
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
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