Redox-sensitive Transformationen in Wassersäule und Sediment des nordfriesischen Wattenmeeres
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wurde vergleichend das biogeochemische Verhalten der redox-sensitiven Spurenmetalle Mangan (Mn) und Molybdän (Mo) auf tidaler, saisonaler und räumlicher Ebene im Benthal und Pelagial von Tidenbecken des nord- und ostfriesischen Watts untersucht. Ziel war es, mögliche Unterschiede im Verhalten von Mo und Mn in beiden Systemen zu erforschen, um die Repräsentativität lokaler Erkenntnisse für das gesamte Wattenmeer beurteilen zu können. Sowohl das Sylter als auch das Spiekerooger Watt zeigen in der freien Wassersäule maximale Konzentrationen an gelöstem Mn im Frühjahr und Sommer 2008 und 2009. Diese Maxima sind durch eine deutliche Verarmungsphase im Frühsommer, die aus einer Erschöpfung des sedimentären Mn-Reservoirs resultiert, voneinander getrennt. Ein entscheidender Unterschied zwischen beiden Systemen äußert sich in erheblich höheren Konzentrationen im Spiekerooger Watt. Obgleich Algenblüten im Frühjahr den Auslöser für das saisonale Verhalten des Mn darstellen, wird das Konzentrationsniveau durch sedimentologische und hydrographische Rahmenbedingungen entscheidend beeinflusst. So geben deutlich höhere Konzentrationen von Metaboliten und Mn im Porenwasser eindeutige Hinweise auf eine intensivere mikrobielle Aktivität im Sediment des Spiekerooger Watts. Während das durch Mittelsande geprägte Sylter Watts zwar einen hohen advektiven Austausch zulässt, besitzen die Spiekerooger Feinsande anscheinend ein für die mikrobielle Aktivität günstigeres Verhältnis von Durchlässigkeit und Rückhaltevermögen. Weiterhin besitzt das Sylter Watt eine deutlich kleinere Sedimentfläche im Verhältnis zum gesamten Wasservolumen, wodurch eine stärkere Verdünnung austretender Porenwässer sowie geringere tidale Konzentrationsunterschiede resultieren. Im Verlauf des Mn im Oberflächenwasser in den Jahren 2008/2009 und 2010 wurde in beiden Gebieten ein dramatischer Wechsel festgestellt. So trat im Spiekerooger Watt im Jahre 2010 eine deutliche Verlagerung zu Gunsten des Sommer-Maximums auf, während im Sylter Watt eine zeitliche Ausdehnung des Frühjahrsmaximums sowie ein fehlender Anstieg im Sommer erfolgte. Diese Wechsel resultieren vermutlich aus dem Einfluss der Wassertemperaturen im Winter auf die mikrobielle Aktivität im Sediment. Probenahmen in weiteren nordfriesischen Watten belegen eindeutig die Notwendigkeit der Berücksichtigung gebietsspezifischer Bedingungen für Budget betreffende Fragestellungen. Grundsätzlich haben die Tidenbecken Nordfrieslands vermutlich eine geringere Bedeutung für den Mn-Haushalt der offenen Nordsee. Die Zeitserien des gelösten Mo in der freien Wassersäule belegen eindeutig, dass negative und positive Mo-Anomalien ein generelles Phänomen im Küstengebiet der südlichen Nordsee darstellen. Während schwächer ausgeprägte Mo-Fluktuationen im Frühjahr auf eine Wechselwirkung mit dem von Diatomeen freigesetzten organischen Materials (OM) schließen lassen, werden massive Verluste an Mo vermutlich durch Adsorption an Phaeocystis-Mucus ausgelöst. Erste Messungen von δ98/95Mo-Werten während einer negativen Anomalie weisen auf eine mögliche Isotopenfraktionierung durch die Komplexierung mit OM hin. So liegen die Werte des residualen Mo über dem für Meerwasser üblichen Wert, während Schwebstoffe, Sedimente und Porenwasser isotopisch leichter sind. Die enge Kopplung des Mo an OM zeigt sich auch in der Analyse von Periostracum-Material der im Sediment lebenden Ensis americanus, das maximale Gehalte von 260 mg/kg Mo sowie eine leichte Isotopen-Zusammensetzung aufweist. Die aus der Zersetzung dieses Materials resultierende Mo-Freisetzung kann nach ersten Abschätzungen einen Anstieg des Mo in der Wassersäule von bis zu 30 nM bewirken. Auf Freisetzungsexperimenten und Modellen basierende Berechnungen zeigen zudem, dass die Resuspension von anoxischen Sedimenten ebenfalls signifikant zum Mo-Haushalt der Wassersäule beitragen kann. Abschließend weisen unsere Ergebnisse eindeutig auf die notwendige Weiterentwicklung kombinierter geochemischer, (mikro-)biologischer, sedimentologischer und hydrodynamischer Untersuchungsstrategien zum Verständnis der Dynamik von Spurenmetallen in Küstensystemen hin.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009) Manganese and molybdenum: Biogeochemical tracers for dynamics of benthic-pelagic coupling in temperate tidal systems. Goldschmidt Conference, Davos. Geochim. Cosmochim Acta 73, A692
Kowalski N., Dellwig O., Beck M., Grundwald M., Lemke A. Dürselen C.D., Brumsack H.-J., van Beusekom. J.E.E. & Böttcher M.E-
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(2010) Biogeochemical Processes in coastal sands of the southern Baltic Sea and North Sea. Workshop Pore water flow in coastal systems. Hanse Wissenschafts-Kolleg, Delmenhorst, 5.- 6.8.20120
Böttcher M.E., Al-Raei A.M., Vogler S., Kowalski N., Winde V. & Dellwig O.
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(2010) Gradients and tidal dynamics of dissolved inorganic carbon and alkalinity in tidal areas of the North Sea. GeoDarmstadt 10-13 October 2010, Darmstadt, Germany
Winde V., Schultz M., Kowalski N., Dellwig O., Knöller K., Böning P., Scheider B., van Beusekom J.E.E., Liebezeit G., Böttcher M.E.
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(2010) Stable carbon isotopes as tracers for sources and transformations of DIC in tidal areas of the North Sea. GASIR conference, Cologne, 10.2010, Abstracts
Winde V., Escher, P., Kowalski N., Schultz, M., Dellwig O., K. Knöller, J. E.E. van Beusekom, G. Liebezeit & M.E. Böttcher
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(2010) Trace metals as biogeochemical tracers for dynamics of benthic-pelagic coupling in temperate tidal systems. ECSA Symposium 46, 3-6 May 2010, List/Sylt, Germany
Kowalski N., Dellwig O., Beck M., Grunwald M., Winde V., Brumsack H.-J., van Beusekom J.E.E. and Böttcher M.E.
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(2011) Manganese in two tidal basins of the North Sea: Pelagic and benthic tracer dynamics. EGU, 3-8 April 2011, Vienna, Austria
Kowalski N., Dellwig O., Beck M., Grunwald M., Badewien T.H., Brumsack H.-J., van Beusekom J.E.E., Böttcher M.E.
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(2011) Seasonal and event-driven changes in the cycling and isotopic composition of molybdenum in tidal systems of the North Sea. EGU, 3-8 April 2011, Vienna, Austria
Kowalski N., Dellwig O., Neubert N., Gräwe U., Beck M., Nägler T.F., Brumsack H.-J., van Beusekom J.E.E. and Böttcher M.E.
