Workpackage 2 Funktioneller Ansatz zur Erfassung von Sedimentleistungen - Ostsee Atlas

2.1 Physikalische Effekte auf Resuspension und Sedimenttransport

Kleinskalige turbulente Bewegungen in der Wassersäule sind ein wichtiger Bestandteil des Sedimenttransportes, da durch sie sowohl die kritische Schubspannung zur Mobilisierung als auch die Energie für den Weitertransport von suspendiertem Material in der Wassersäule bestimmt werden.
Diese Prozesse werden im Detail im WP 2.1 mit Hilfe eines umfangreichen Feldmessprogramms und hoch aufgelösten nummerischen Modellen der Westlichen Ostsee untersucht. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Beziehung zwischen Turbulenz, Resuspension und Transportprozessen in der Übergangsregion zwischen der gut durchmischten Küstenzone und den geschichteten inneren Bereichen der Becken.
Die Untersuchungen beinhalten Messungen mit schiffsgebundenen Strömungsmessgeräten und Mikrostruktur-Turbulenzsonden, durch die Profile der Dichteschichtung, der Trübung, der Sauerstoffkonzentration und der Scherungsmikrostruktur (aus der die turbulenten Diffusionskoeffizienten bestimmt werden können) in der Wassersäule gewonnen werden. Darüber hinaus werden Verankerungen zur Untersuchung der bodennahen Turbulenz und zur Bestimmung von Schwebstoffkonzentrationen in der Wassersäule eingesetzt. Vergleiche mit Seston-Filterproben werden dabei zur Kalibrierung der aus Trübungs- und akustischen Rückstreuungsmessungen gewonnen Daten verwendet. Die gewonnenen Felddaten werden genutzt, um numerische Turbulenz- und Transportmodelle zu validieren und so Informationen über die Resuspension sowie Transportraten und Transportwege zu gewinnen.

Ansprechpartner

Lars Umlauf

2.2 Biologische Effekte auf den Partikelaustausch an der Sediment-Wasser Grenzschicht

Bioturbation durch Pygospio elegans (Foto: Florian Peine)

Das Ziel ist eine Bestimmung des Flusses von organischem Material zwischen der Benthischen Trübungszone (BTZ) und der bioturbierten Schicht im Sediment, die im Wesentlichen durch die Makrofauna angetrieben wird und abhängig von dem Arteninventar bis in 10 cm Tiefe reicht. Die Zeitskalen dieses sogenannten benthischen Resuspensionszyklus sind weitgehend unbekannt. Informationen über die beteiligten Arten werden auf der Ebene von funktionellen Gruppen aus dem WP 1.2 geliefert werden. Die Bioturbationstiefe und Durchmischungskoeffizienten werden anhand des Chlorophyllgehaltes in den einzelnen Schichten bestimmt. Die Physikalische Resuspension wird durch die kritische Schubspannung ermittelt, während die Bio-Deposition in Experimenten im Strömungskanal ermittelt wird. Residenzzeiten im Sediment und in der BTZ werden anhand des 234Th/238U Ungleichgewichtes aufgrund der Partikel-Reaktivität dieses natürlichen Radionuklids in den Proben abgeschätzt.

Ansprechpartner

Gerd Graf, Stefan Forster

2.3 Mineralisierung von organischem Material sowie Phosphor und CO2 Freisetzung

Die Mineralisierung von organischem Material und der assoziierten elementaren Flüsse über die Sediment – Wasser Grenzfläche sind abhängig von den sedimentologischen und hydrographischen Eigenschaften, der Substratverfügbarkeit, des Bodenwasser- Salzgehaltes und den korrespondierenden mikrobiologischen Gemeinschaftsstrukturen. Die zugrunde liegenden Prozesse werden durch eine Vielzahl von externen Bedingungen (zum Beispiel Produktion und Nährstofffrachten) bestimmt. Die Freisetzung von Nährstoffen, besonders Phosphor, Alkalinität (im Wesentlichen CO2) und redox-sensitiven Elementen (z. B. H2S und ausgesuchte Metalle) werden ermittelt aus Analysen des Porenwassergradienten und der Inkubation ganzer Sedimentkerne. Unterschiedliche Redoxbedingungen von flacheren zu tieferen Sedimenten erlauben eine Untersuchung der komplexen Beziehung von z. B. Eisen, Phosphor und Sulfiden in der festen und flüssigen Phase. Die Bindungsform von Metallsulfiden hat einen grundlegenden Einfluss auf die Fixierung und Mobilität von ausgewählten Spurenelementen. Änderungen in der Bioturbations - Aktivität und die Anwesenheit spezifischen Mikroorganismen können eine Verschiebung der benthischen Redoxschicht verursachen, die evtl. signifikant die Häufigkeit der festen Phasen (z. B. von Eisen) und die Mobilität  von Nährstoffen und anderen Elementen beeinflusst. Zeitabhängige Inkubationsversuche mit intakten Sedimentkernen werden kombiniert mit Porenwasser Analysen. An schlickigen Stationen kann das Porenwasserprofil mit der Modellierungssoftware REC interpretieret werden.

Ansprechpartner

Michael Böttcher

2.4 Gas-Austausch an der Sediment – Wasser Grenzschicht

Die Freisetzung von Gas aus dem Sediment ist stark beeinflusst von Veränderungen im umgebenden System durch z. B. Eutrophierung oder Klimawandel. Bisher wurde diese Funktion des Sedimentes nicht systematisch mit Sedimentklassifikationen und Habitatstrukturen in einen Zusammenhang gebracht. Die Flüsse von Stickoxiden aus marinen Sedimenten sind stark abhängig von der Verfügbarkeit von anderen Stickstoffzwischenprodukten. Die N2O Produktion kann zu Teil als Nebenreaktion der Denitrifikation im Sediment angesehen werden, wobei die kontrollierenden Faktoren zwischen N2O Produktion und Stickstoffverlust nicht geklärt sind. Der Fluss von Methan hängt stark von sowohl dem Sedimenttyp als auch dem Redoxstatus des überschichteten Wassers ab, der in der Ostsee sehr unterschiedlich sein kann. Netto-Stickstoffverluste im Sediment sind unabhängig von einzelnen Stickstoff produzierenden Prozessen. Störungsexperimente werden zusätzlich genutzt um den Einfluss von Glasflüssen auf externe Parameter abzuschätzen.

Durch den Gebrauch von benthischen Kammern werden die Flüsse von N2, N2O und CH4 für verschiedene Schlüsselsedimenttypen bestimmt. Für einige Gase werden die stabilen Isotopen- Signaturen bestimmt. Gemeinsam mit der genauen Aufnahme der hydrographischen Kräfte (WP2.1) und der diagenetischen Reaktionen (WP 2.3.), sowie den treibenden Transformationsprozessen der mikrobiellen Gemeinschaft (2.5) wird ein komplexes Verständnis der Gasflüsse im Sediment angestrebt. Diese integrativen Daten sollen in ein Sedimentmodell implementiert werden.

Ansprechpartner

Gregor Rehder

2.5 Mikroorganismen als Motor für Diagenese und elementarer Umsatz in Schlüsselsedimenten

Wenig ist bisher bekannt über die katalysierende Wirkung von Mikroorganismen bei den zentralen biogeochemischen Umwandlungen im Sediment in der Ostsee. In diesen Workpackage sollen die mikrobischen Gemeinschaften und Aktivitäten identifiziert und quantifiziert werden, die auf einigen repräsentativen Sedimenten angetroffen werden. Es wird ermittelt, inwiefern mikrobische Aktivität die biogeochemischen Umwandlungsprozesse und die makrozoobenthische Aktivität auf der molekuaren Ebene reflektiert. Im Besonderen werden die mikrobielle Gemeinschaft und spezifische metabolische Stoffwechselwege auf Ebene der Gen- Expression, der Zusammensetzung und der funktionalen Aktivitäten untersucht. Die Ergebnisse werden im Zusammenhang mit den biogeochemischen Umwandlungen und Flüssen im Sediment betrachtet. Transkriptomes werden nach Schlüssel-Genen in Stoffwechselprozessen untersucht (z. B. Denitrifikation, Methanogenese, Schwefelrespiration und Schwefeloxidation. In Kombination mit den biogeochemischen Parametern und der makrozoobenthischen Aktivität werden durch statistische Analysen prokaryotische Vergesellschaftung und funktionale Charakteristiken für bestimmte Sedimenttypen erstellt.

Ansprechpartner

Heide Schulz-Vogt