Biogeochemische Prozesse in sandigen Strandsedimenten von Spiekeroog und Majorca
Physik, Chemie und Biologie des Meeres
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Hochenergiestrände unterliegen einem starken Einfluss durch Gezeiten und Wellen, die Porenwasserzirkulation durch den Strand hervorrufen. Während Flut dringt Meerwasser in den Strandsand ein, das Sauerstoff und organische Substanz enthält. Während Ebbe fließt Porenwasser innerhalb des Sandkörpers Richtung Niedrigwasserlinie. Während der Aufenthaltszeit des Meerwassers im Sediment bauen Mikroorganismen die organische Substanz ab. Dieser Vorgang setzt anorganische Nährstoffe frei (C, N, P, Si), verbraucht Sauerstoff und bewirkt die Reduktion anderer Elektronenakzeptoren (NO3-, Mn-, Fe-Oxide, SO4^2-). Die Reduktion fester Mn- und Fe-Oxide bewirkt die Freisetzung von gelöstem Mn und Fe (Mikronährstoffe). Bei Niedrigwasser fließt nährstoffreiches Porenwasser in das angrenzende Meer zurück. Zusätzlich zu den biogeochemischen Prozessen im zirkulierenden Meerwasser wird die Zusammensetzung des Strandporenwassers durch den Eintrag von süßem Grundwasser, das an der Land-Meergrenze austritt, verändert (subterranes Ästuar). In diesem Projekt wurde der Einfluss der biogeochemischen Prozesse im subterranen Ästuar eines Hochenergiestrandes (Barriereinsel Spiekeroog) auf die Verteilung der redoxsensitiven Metalle U, Mo, Re und V untersucht. Im Gegensatz zu Mn und Fe, die unter reduzierenden Bedingungen freigesetzt werden, neigen diese Spurenmetalle dazu unter reduzierenden Bedingungen in die Festphase überzugehen. Es wurde gezeigt, dass die Porenwasserkonzentrationen von U, Mo, Re und V nicht alleine durch konservative Mischung von süßem Grundwasser und Meerwasser erklärbar sind, sondern durch biogeochemische Prozesse im Strand verändert werden, die außerdem Einfluss auf die 2-Isotopenzusammensetzung des SO4 haben. Die Redoxreaktionen, die im Strand auftreten, könnten außerdem durch das Vorkommen von reaktivem Mn(III) beschleunigt werden. Berechnungen der Metalleinträge und -austräge zeigten, dass der Strand auf Spiekeroog als V-, U- und Re-Senke, aber als Fe-, Mn-, und Mo-Quelle fungieren könnte. Die Fe-Isotopenverhältnisse in Fe-reduzierenden Porenwässern weisen in tieferen, auch süßwasserbeeinflussten Bereichen auf Fe-Sulfidbildung hin, wohingegen sie nahe der Strandoberfläche auf Reoxidation und Fällung des gelösten Fe hindeuten, sodass der Fe- Austrag in die Wassersäule limitiert sein könnte. Weiterhin wurde das Verhalten redoxsensitiver Spurenmetalle entlang der Redoxgradienten im süßen Grundwasser der Insel untersucht, da am untersuchten Strand ein deutlicher Süßwassereintrag festgestellt werden konnte. Dies ergab, dass die Spurenmetalle U, Mo, Tl und V in oxischen bis nitratreduzierenden Grundwasserzonen wie den jungen Süßwasserlinsen im Osten Spiekeroogs aus dem Sediment mobilisiert werden, welches gegenüber Regen- und Meerwassereintrag die dominierende Metallquelle darstellt. In älteren, Mn/Fe/SO4^2-reduzierenden Grundwasserbereichen, die maßgeblich das Porenwasser im untersuchten Strand beeinflussen, werden die Metalle in unterschiedlichem Maße aus der gelösten in die feste Phase überführt (Tl > U > Mo > V), sodass die Quellenfunktion des süßen Grundwassers für das angrenzende Meer limitiert ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2016) Redox-sensitive trace metal cycling in a sandy subterranean estuary. ECSA 2016, Bremen, Deutschland
Reckhardt A, Greskowiak J, Brumsack H-J
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(2017). Cycling of redox-sensitive elements in a sandy subterranean estuary of the southern North Sea. Marine Chemistry 188, 6-17
Reckhardt A, Beck M, Greskowiak J, Schnetger B, Böttcher ME, Gehre M, Brumsack H-J
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(2017). The drivers of biogeochemistry in beach ecosystems: A cross-shore transect from the dunes to the low-water line. Marine Chemistry 190, 35-50
Beck M, Reckhardt A, Amelsberg J, Bartholomä A, Brumsack H-J, Cypionka H, Dittmar T, Engelen B, Greskowiak J, Hillebrand H, Holtappels M, Neuholz R, Köster J, Kuypers MMM, Massmann G, Meier D, Niggemann J, Paffrath R, Pahnke K, Rovo S, Striebel M, Vandieken V, Wehrmann A, Zielinski O
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(2018). Hydrochemical evolution of a freshwater lens below a barrier island (Spiekeroog, Germany): The role of carbonate mineral reactions, cation exchange and redox processes. Applied Geochemistry 92, 196-208
Seibert SL, Holt T, Reckhardt A, Ahrens J, Beck M, Pollmann T, Giani L, Waska H, Böttcher ME, Greskowiak J, Massmann G
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(2020). Investigating the Land-Sea Transition Zone. In: Jungblut S., Liebich V., Bode-Dalby M. (eds) YOUMARES 9 - The Oceans: Our Research, Our Future. Springer, Cham
Seibert SL, Degenhardt J, Ahrens J, Reckhardt A, Schwalfenberg K, Waska H
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(2020). Rare Earth Element Behavior in a Sandy Subterranean Estuary of the Southern North Sea. Frontiers in Marine Science 7, 424-442
Paffrath R, Pahnke K, Behrens MK, Reckhardt A, Ehlert C, Schnetger B, Brumsack H-J
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(2021). Cycling of redox-sensitive trace metals in barrier island freshwater lenses. Science of the Total Environment 768:144964
Reckhardt A, Seibert SL, Holt T, Ahrens J, Beck M, Massmann G, Brumsack H-J
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(2021): Iron isotope fractionation in the subterranean estuary of a high-energy beach. ASLO 2021 Aquatic Sciences virtual Meeting
Reckhardt A, Böning P, Pahnke K, Brumsack H-J
