Wissenschaftliche Herangehensweise

Ansatz

Ziel des Projektes COSA ist ein detailliertes Verständnis der biogeochemischen Prozesse in sandigen Ökosystemen. Dazu führt COSA Wissenschaftler verschiedener Disziplinen mit Kompetenzen aus dem Bereich von Prozessen im Sediment zusammen. Hier werden kurz die Hintergründe und einen Überblick über die im Projekt untersuchten Prozesse vorstellt.

Bis heute sind sandige Sedimente nicht gut erforscht. Die überwiegende Mehrheit der Studien von benthischen Prozessen wurden im kohäsiven, schlickigem Sedimenten vorgenommen.

Eine Haupteigenschaft von sandigen Sedimenten ist ihre Permeabilität, was bedeutet, dass das Wasser durch die Zwischenräume des Sediments strömen kann. Die Ablenkung des bodennahen Wasserströme, die durch Gezeiten, Wind und Wellen hervorgerufen werden und die Topographie des Bodens, wie z.B. Rippel und Steine, erzeugen einen horizontalen Druckgradienten auf der Sedimentoberfläche, der zu einem advektiven Wasserfluss durch das Sediment führt (Savant et al. 1987, Thibodeaux & Boyle 1987).

Das daraus resultierende Eindringen des bodennahen Wassers sowie der Austritt von Porenwasser wurde im Meßkanal durch Einfärben des Porenwassers mit Rhodamin nachgewiesen (Animation, 12,5 MB). Bisher sind In-Situ-Messungen von Advektionsraten von Porenwasser selten, doch können Durchflußraten von 5-590 L m^-2 d^-1 veranschlagt werden ((Precht & Huettel 2003, 2004) und darin enthaltene Literaturhinweise).

Die Auswirkungen der advektiven auf die sedimentäre Prozesse können tiefgreifend sein und machen sandige Sedimente zu einem einzigartigen Umgebung mit großen Unterschieden zu den besser untersuchten kohäsiven Sedimenten (Huettel et al. 2003).

Eine besondere Eigenschaft von Sand ist, das diese Sedimente effizient Partikel von dem darüber liegendem Wassersäule einfangen können. Das führt zu einer hohen Anlieferungsrate von unbeständigem, organischen Materials in das Sediment (Huettel & Rusch 2000). Der advektive Fluss des Sediments hat ebenfalls erheblichen Einfluss auf die Sauerstoffdynamik, die durch ((Precht et al. 2004) mit der Hilfe von planaren Sauerstoff-Optoden beschrieben wurde (Siehe: http://aslo.org/lo/toc/vol_49/issue_3/0693.pdf).

Daraus resultiert erstens ein größerer Sauerstofftransport in das Sediment, welcher möglicherweise das Ausmaß und die Anteil der Zerlegung von organischen Materialien in marinen Sedimenten beeinflusst (Kristensen et al. 1995, Hulthe et al. 1998, Dauwe et al. 2001).

Zweitens wird O₂ in sich rasch ändernden räumlichen Maßstäben in das Sediment eingebracht, woraus ein schneller Wechsel von oxischen und anoxischen Verhältnissen resultiert. Es ist bekannt, dass dies zu einer Zunahme der metabolischen Aktivität im Sediment (Aller & Aller 1998) und einer potentiell engen Verzahnung von obligaten aerobischen und anaerobischen Prozessen, wie Nitrifikation und Denitrifikation führt.

Weitere Informationen gibt Markus Huettel.

Das Projekt

Im letzten Jahrzehnt hat es große Fortschritte im grundsätzlichen Verständnis der Abläufe im sandigen Sediment gegeben. Es fehlen jedoch integrierte Feldstudien, die auf diesem Wissen aufbauen. COSA bedient sich aktueller Technik und Methoden für ein weitergehendes Verständnis von sandigen Sedimenten. Die Schwerpunkte des Projektes beinhalten:

• Zentrales Werkzeug bei der Erforschung der benthischen Austauschprozesse sind benthische Kammern für permeable Sedimente wie sie von (Huettel & Gust 1992) und (Janssen et al in Press L+O) (Siehe: http://aslo.org/lo/toc/vol_50/issue_3/) beschrieben wurden. Diese Kammern wurde so kalibriert, daß sie einen definierten Druckunterschied auf das Sediment ausüben, der den In-Situ-Verhältnissen entspricht und so den advektiven Durchflussraten ähnelt, welche im Feld beobachtet werden können. Gemessen werden u.a. O₂,CO₂, N₂ und gelöste Nährstoffe.

  
  

  Schema einer benthischen Kammer, wie sie in COSA benutzt wird und die den Druckgradienten illustriert (rote Linie), der auf das Sediment ausgeübt wird. Dadurch wird ein advektiven Durchfluss durch die permeablen Sedimente hervorrufen, der jenen in natürlicher Umgebung simuliert.
  
  

  Weiterhin werden biogeochemische Prozesse wie Reaktionen von Diatomeen auf Licht, anaerobe Ammonium-Oxidation (anammox), Sulfatreduktionsraten, Fe und Mn Verteilung und potentielle Reoxidation gemessen. Weitere Informationen gibt Perran Cook.

• Integrierete Messung der Sedimenttopographie und des Durchflusses von Porenwasser
  Der advektive Fluss von Porenwasser von der Topographie und Permeablilität des Sediments, sowie den Strömungen bestimmt. Um die Durchflussraten und deren maßgebenden Faktoren In-Situ besser zu verstehen, wird im Projekt ein neues Instrument (.Lance a Lot.) eingesetzt, welches gleichzeitig die Topographie und den Durchfluss des Porenwassers erfassen kann.
  Weitere Informationen gibt Felix Janssen.

• In-Situ Microsensoren
  In-Situ Microprofile und planare Optoden sind bewährte Werkzeuge für Untersuchungen der Verteilung von gelösten Substanzen in kohesiven Sedimenten und trugen wesentlich zum besseren Verständnis dieser Systeme bei (Glud et al. 2003, Wenzhöfer & Glud 2004). Microsensoren und planare Lichtleiter sind jedoch selten in sandigen Sedimenten eingesetzt worden. In COSA werden beide Methoden In-Situ zur Erfassung der zeitlichen und räumlichen Dynamik von O₂ und H₂S benutzt.
  Weitere Informationen gibt Frank Wenzhöfer.
• Pulse-Chase-Experimente und inverse Analyse von trophischen Strukturen
  Pulse-Chase-Experimente benutzen stabile C- und N-Isotopen, welche in Form von H¹³CO₃- and ¹⁵NO₃- zugegeben werden. Sie sind ein leistungsfähiges Hilfsmittel um den Durchlauf dieser Elemente durch die benthische Nahrungskette zu erläutern. In COSA wird dieser Ansatz in Kombination mit inverse Modellierung benutzt um neue Einsichten in den Kohlen- und Stickstofffluss durch diese Systeme zu erhalten.
  Weitere Informationen gibt Jack Middelburg.
• Biogeochemische Modellierung
  Die biogeochemische Modellierung von Prozessen in kohesiven Sedimenten ist heute ein weit genutztes Mittel zum Verständnis dieser Systeme. Bisher wurde sie jedoch noch nicht bei permeablen Sedimenten angewandt. In COSA wurden bestehende diagenetische Modelle zweidimensional erweitert, der Parameter "Advektives Porenwasser", ein wichtiger Transportmechanismus in den oberen Schichten, wurde integriert. Der Programmcode ist auf der Website http://www.nioo.knaw.nl/homepages/meysman/media.htm frei verfügbar.
  Weitere Informationen gibt Jack Middelburg.
• Zeitmessreihen von Schlüsselparametern
  In beiden Untersuchungsgebieten werden Zeitmessreihen von physikalischen und biologischen Schlüsselparameter durchgeführt. Die gemessenen Werte beinhalten Permeabilität und Porosität des Sediments, Porenwasser-Stickstoff-Profil, Stickstoffaustausch und Primärproduktion im Benthos, Chlorophyll im Sediment und in der Wassersäule und die Gesamtprimärproduktion.
  Weitere Informationen für das Untersuchungsgebiet Sylt (Deutschland) gibt Justus van Beusekom und für das Untersuchungsgebiet Hel (Polen) Lech Kotwicki.
• Abundanz, Diversität und Funktion von Flora und Fauna im Sediment
  Von besonderer Bedeutung für die untersuchten Prozesse ist die Diversität und Abundanz der Flora und Fauna des Benthos in den Untersuchungsgebieten. Eine detaillierte Analyse des Arteninventars und der Abundanz in beiden Untersuchungsgebieten fand zeitgleich mit den Messkampagnen statt. Weiterhin wurden Experimente durchgeführt, um die relative Bedeutung der Bioturbation und der Bioirrigation in Beziehung auf den Porenwassertransport zu beleuchten.
  Weitere Informationen gibt Lech Kotwicki.

Literatur

Dauwe B, Middelburg JJ, Herman PMJ (2001) Effect of oxygen on the degradability of organic matter in subtidal and intertidal sediments of the North Sea area. Mar Ecol-Prog Ser 215:13-22

Glud RN, Gundersen JK, Røy H, Jørgensen BB (2003) Seasonal dynamics of benthic O₂ uptake in a semienclosed bay: Importance of diffusion and faunal activity. Limnol Oceanogr 48:1265-1276

Herman PMJ, Middelburg JJ, Widdows J, Lucas CH, Heip CHR (2000) Stable isotopes as trophic tracers: combining field sampling and manipulative labelling of food resources for macrobenthos. Mar Ecol-Prog Ser 204:79-92

Huettel M, Gust G (1992) Solute release mechanisms from confined sediment cores in stirred benthic chambers and flume flows. Marine Ecology Progress Series 82:187-197

Huettel M, Roy H, Precht E, Ehrenhauss S (2003) Hydrodynamical impact on biogeochemical processes in aquatic sediments. Hydrobiologia 494:231-236

Huettel M, Rusch A (2000) Transport and degradation of phytoplankton in permeable sediment. Limnol Oceanogr 45:534-549

Hulthe G, Hulth S, Hall POJ (1998) Effect of oxygen on degradation rate of refractory and labile organic matter in continental margin sediments. Geochim Cosmochim Acta 62:1319-1328

Kristensen E, Ahmed SI, Devol AH (1995) Aerobic and anaerobic decomposition of organic matter in marine sediment: Which is fastest? Limnol Oceanogr 40:1430-1437

Middelburg JJ, Barranguet C, Boschker HTS, Herman PMJ, Moens T, Heip CHR (2000) The fate of intertidal microphytobenthos carbon: an in situ ¹³C-labeling study. Limnol Oceanogr 45:1224-1234

Precht E, Franke U, Polerecky L, Huettel M (2004) Oxygen dynamics in permeable sediments with wave-driven porewater exchange. Limnol Oceanogr 49:693-705

Precht E, Huettel M (2003) Advective pore-water exchange driven by surface gravity waves and its ecological implications. Limnol Oceanogr 48:1674-1684

Precht E, Huettel M (2004) Rapid wave driven porewater exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res 51:93-107

Savant SA, Reible DD, Thibodeaux LJ (1987) Convective transport within stable river sediments. Water Resour Res 23:1763-1768

Soetaert K, Herman PMJ, Middelburg JJ, Heip C, Smith CL, Tett P, Wild-Allen K (2001) Numerical modelling of the shelf break ecosystem: reproducing benthic and pelagic measurements. Deep-Sea Res Part II-Top Stud Oceanogr 48:3141-3177

Thibodeaux LJ, Boyle JD (1987) Bedform-generated convective transport in bottom sediment. Nature 325:341-343

Wenzhöfer F, Glud RN (2004) Small-scale spatial and temporal variability in coastal benthic O₂ dynamics: Effects of faunal activity. Limnol Oceanogr 49:1471-1481

Wijsman JWM, Herman PMJ, Middelburg JJ, Soetaert K (2002) A model for early diagenetic processes in sediments of the continental shelf of the Black Sea. Estuar Coast Shelf Sci 54:403-421