Long-term CO₂ injection and its impact on near-surface soil microbiology

Impacts of long-term CO₂ exposure on environmental processes and microbial populations of near-surface soils are poorly understood. This near-surface long-term CO₂ injection study demonstrated that soil microbiology and geochemistry is influenced more by seasonal parameters than elevated CO₂. Soil samples were taken during a 3-year field experiment including sampling campaigns before, during and after 24 months of continuous CO₂ injection. CO₂ concentrations within CO₂-injected plots increased up to 23% during the injection period. No CO₂ impacts on geochemistry were detected over time. In addition, CO₂ exposed samples did not show significant changes in microbial CO₂ and CH₄ turnover rates compared to reference samples. Likewise, no significant CO₂-induced variations were detected for the abundance of Bacteria, Archaea (16S rDNA) and gene copy numbers of the mcrA gene, Crenarchaeota and amoA gene. The majority (75%–95%) of the bacterial sequences were assigned to five phyla: Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria and Bacteroidetes. The majority of the archaeal sequences (85%–100%) were assigned to the thaumarchaeotal cluster I.1b (soil group). Univariate and multivariate statistical as well as principal component analyses showed no significant CO₂-induced variation. Instead, seasonal impacts especially temperature and precipitation were detected

Comparison of the impacts of elevated CO₂ soil gas concentrations on selected European terrestrial environments

Selected European studies have illustrated the impacts of elevated CO₂ concentrations in shallow soils on pasture. For the first time, general unified conclusions can be made, providing CO₂ thresholds where effects on plants and soil microbiology are observed and making recommendations on how this information can be used when planning projects for CO₂ storage. The sites include those where CO₂ is being naturally released to the atmosphere from deep geological formations; and a non-adapted site, with no previous history of CO₂ seepage, where CO₂ has been injected into the unsaturated soil horizon. Whilst soil gas concentrations will be influenced by flux rates and other factors, the results suggest that a concentration of between 10% and 15% CO₂ soil gas at 20 cm depth, which is within the root zone, is an important threshold level for observing changes in plant coverage. Site-specific plant ‘indicators’ are also observed for CO₂ concentrations at ≥35%. Microbiological changes are seen where CO₂ soil gas concentrations are between 15% and 40%. As part of site characterisation, an evaluation of the risks of leakage and their potential environmental impacts should be undertaken

CO2 impacts on microbial communities in different near-surface geosystems

Anthropogenic CO2 emissions increased during the last ~150 years. Subsequently, the atmospheric CO2 concentration increased with severe effects for the Earth’s climate and the global carbon cycle. Although technical progress in energy efficiency, renewable energy sources and industrial CO2 capture and storage techniques led to decreasing greenhouse gas emissions in many countries, the potential impacts of the still increasing atmospheric CO2 concentrations for the ocean and terrestrial carbon cycle are still poorly understood. Hence, this thesis focussed on geochemical processes and the microbial activity, abundance and community structure potentially altered by high CO2 concentrations in different near-surface geosystems. The main objectives of this thesis were (i) to investigate CO2-induced geochemical alterations, (ii) to identify potential adaptation mechanisms of the microbial community leading to changes in the microbial community structure and metabolic activity and (iii) to identify potential indicator organisms. Therefore, two long-term CO2-adapted geosystems (terrestrial and freshwater) and one artificial short-term CO2 injection facility have been studied. The main findings of the thesis are: (i) Long-term CO2 exposure with high CO2 concentrations led to significant changes in both, plant coverage and community composition as well as geochemistry e.g. the acidification of soil and sediment (pore water), increased soil moisture content and soil weathering. (ii) Long-term CO2 exposure with high CO2 concentrations led to a shift towards anaerobic, acidic tolerant to acidophilic methanogens and autotrophs. The verified predominant archaeal taxa belonged to Methanomicrobia (Euryarchaeota), Thermoprotei (Crenarchaeota) and Pacearchaeota. (iii) Long-term CO2 exposed geosystems with high CO2 concentrations revealed the potential importance of Chloroflexi as potential bacterial indicator species. The very abundant Chloroflexi species are presumably connected to anaerobic organic matter degradation and CO2-fixation. (iv) Short-term CO2 injection over a period of 24 months revealed no significant geochemical and microbiological alterations. The CO2-exposed samples did not show significant changes in microbial CO2 and CH4 turnover rates compared to reference samples. Likewise, no alterations in microbial abundances and community composition were detected. (v) Concerning a possible CO2 threshold for significant i.e. detectable ecosystem changes, the results of all geosystems in summary suggest a CO2 concentration of up to 50 % as critical level. CO2 concentrations below did not lead to significant geochemical and microbiological changes.Anthropogene CO2 Emissionen sind während der vergangenen ~150 Jahre angestiegen. Dies führte zu einem Anstieg der CO2 Konzentration in der Atmosphäre und folglich zu schwerwiegenden Auswirkungen auf das weltweite Klima und den globalen Kohlenstoffkreislauf. Obgleich der technische Fortschritt im Bereich der Energieeffizienz, der erneuerbaren Energiequellen und Techniken der industriellen CO2 Abscheidung und Speicherung zu einer Verringerung von Treibhausgas Emissionen führte, die möglichen Auswirkungen der auch weiterhin ansteigenden CO2 Konzentrationen in der Atmosphäre auf den Kohlenstoffkreislauf an Land und im Meer sind auch weiterhin wenig verstanden. Die vorliegende Arbeit konzentrierte sich daher auf mögliche Veränderungen in den geochemischen Prozessen sowie in der mikrobiellen Aktivität, Abundanz und Gemeinschaftsstruktur oberflächennaher Geosysteme durch hohe CO2 Konzentrationen. Die Hauptziele dieser Arbeit waren (i) die Untersuchung CO2 induzierter Veränderungen in den geochemischen Prozessen, (ii) die Identifizierung mikrobieller Anpassungsmechanismen die zu Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft und ihrer Aktivität führen und (iii) die Identifikation möglicher Indikatorspezies. Hierfür wurden zwei dauerhafte, CO2 adaptierte Geosysteme untersucht (terrestrisch wie limnisch) sowie eine künstliche Anlage, in welcher CO2 kurzzeitig injiziert wurde. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind: (i) Der Nachweis, dass eine langfristige CO2 Exposition zu signifikanten Veränderung im Pflanzenbestand und -Wuchs sowie in den geochemischen Prozessen führte. Dies beinhaltete u.a. die Versauerung des Bodens/Sediments (bzw. Porenwassers), einen Anstieg der Bodenfeuchte sowie die Verwitterung des Bodens. (ii) Das eine langfristige Exposition mit hohen CO2 Konzentrationen zu einer Verschiebung hin zu anaeroben, säuretoleranten bis säureliebenden Methanogenen und Autotrophen führt. Die vorherrschenden Taxa der Archaea wurden hierbei den Methanomicrobia (Euryarchaeota), Thermoprotei (Crenarchaeota) und Pacearchaeota zugeordnet. (iii) Geosysteme, die langfristig hohen CO2 Konzentrationen ausgesetzt waren machten die Bedeutung von Chloroflexi als mögliche bakterielle Indikatorspezies deutlich. Diese besonders abundanten Chloroflexi Spezies sind mit hoher Wahrscheinlichkeit am anaeroben Abbau organischen Materials sowie an der CO2 Fixierung beteiligt. (iv) Eine kurzzeitige CO2 Injektion über einen Zeitraum von 24 Monaten zeigte keine signifikanten geochemischen oder mikrobiologischen Veränderungen. Es wurden keine signifikanten Veränderungen in den mikrobiellen CO2 und CH4 Umsatzraten zwischen CO2 exponierten Proben und Referenzproben festgestellt. Auch die mikrobielle Abundanz und Gemeinschaftsstruktur blieb unverändert. (v) Einen möglichen CO2 Schwellenwert für signifikante d.h. nachweisbare Veränderungen im Ökosystem betreffend, legen die Ergebnisse aller untersuchten Geosysteme nahe, dass eine CO2 Konzentration ab 50% als kritisch eingestuft werden kann. Konzentrationen darunter führten in der vorliegenden Arbeit zu keinen signifikanten geochemischen und mikrobiologischen Veränderungen