Stickstoff und Argon Messungen zur Quantifizierung der Stickstofffixierung im Oberflächenwasser der Ostsee (NArrFix)

• Antragsteller: Dr. Oliver Schmale; Dr. Bernd Schneider
• Fachliche Zuordnung: Physik, Chemie und Biologie des Meeres
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450156712

Stickstofffixierung durch Cyanobakterien ist ein verbreitetes Phänomen in der zentralen Ostsee und dem finnischen Meerbusen. Sie tritt vorwiegend im Hochsommer (Juni – August) bei vollständiger DIN (dissolved inorganic nitrogen) Verarmung auf. Der Beitrag zum N-Budget ist erheblich und verstärkt die Eutrophierung der Ostsee. Abschätzungen beziffern den Eintrag auf 300 kt-N/Jahr - 800 kt-N/Jahr und liegen damit in der gleichen Größenordnung wie die Summe aus den Flusseinträgen und der atmosphärischen Deposition. Diese weite Spanne in den Abschätzungen ist auf eine erhebliche zwischenjährliche Variabilität der N2-Fixierung und auf große Unsicherheiten, die mit den verschiedenen Ansätzen zur Quantifizierung (15N-Inkubation; N-Budget; pCO2-Messungen; excess-PO4) sowie mit der Becken-weiten Extrapolation lokaler Studien verbunden sind.Unser Ansatz beruht auf der großräumigen Erfassung der Abnahme der N2-Konzentrationen im Oberflächenwasser während einer Cyanobakterien-Blüte sowie ergänzender Ar-Messungen zur Berücksichtigung des N2-Gasaustauschs mit der Atmosphäre. Die N2- und Ar-Konzentrationen werden quasi-kontinuierlich ermittelt, indem N2 und Ar massenspektrometrisch in Luft bestimmt werden, die in ein Gleichgewicht mit kontinuierlich zugeführtem Oberflächenwasser überführt wurde (MIMS, Membrane Inlet Mass Spectroscopy). Die Messvorrichtung wird an ein bestehendes Messsystem für die Analyse von Spurengasen (CO2, CH4, O2, N2O, CO) auf einem „voluntary observation ship“ (VOS, „Finnmaid“) gekoppelt. Dadurch werden die N2- und Ar-Konzentrationen zwischen der Mecklenburger Bucht und dem finnischen Meerbusen mit einer zeitlichen Auflösung von 2 – 3 Tagen erhalten.Zwei intensive Messphasen (2012 und 2022) sind vorgesehen, um die Stickstofffixierung während der Hauptsaison der Cyanobakterien-Blüte (Juni – August) zu quantifizieren. Damit beabsichtigen wir, die Faktoren, die eine Cyanobakterien-Blüte auslösen und möglicherweise limitieren, wie etwa die Temperatur, PO4-Verfügbarkeit und meteorologische/hydrographische Bedingungen, zu identifizieren. Die gleichzeitigen Aufzeichnungen des pCO2 mit dem existierenden Messsystem werden genutzt, um eine unabhängige Abschätzung der Biomasse-Produktion der Cyanobakterien und der damit verbundenen N2-Fixierung vorzunehmen. Es werden zudem durch die Kooperation mit dem Finnish Environment Institute (SYKE) Daten zu den Konzentrationen von Gesamt-N und -P verfügbar sein, die über eine Stickstoffbilanz eine Konsistenzprüfung mit der bestimmten N2-Fixierung zulassen.Die Integration der für die unmittelbare Oberfläche bestimmten N2-Fixierung erfolgt mit Hilfe numerischer Modellierung (GETM), durch die nach verschiedenen Kriterien die Tiefe der durchmischten Schicht ermittelt wird. Für die Extrapolation der N2-Fixierung auf die Fläche ganzer Becken wird in Kooperation mit der Fernerkundungsgruppe Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) der Versuch unternommen, Satelliten-Daten zu nutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland, Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Rolf Kipfer; Dr. Jukka Seppala
• Mitverantwortliche: Dr. Stephan Dick; Dr. Ulf Graewe; Professor Dr. Gregor Rehder