Arbeitspaket 3 - Benthisch-pelagische Kopplung

Küstensysteme werden wesentlich durch Hydrodynamik, Sedimentstruktur und Resuspension geprägt. Sie zeichnen sich durch eine intensive benthisch-pelagische Kopplung aus, die den Umsatz von Nährstoffen und organischer Substanz reguliert. Physikalische Prozesse steuern den Austausch zwischen Wassersäule und Sediment, indem sie advektive Porenwasserströmungen antreiben und organische Partikel resuspendieren und umverteilen. Diese Partikel bilden vorübergehende Hotspots, die pelagische Produktion mit benthischer Mineralisierung verbinden. Dabei entstehen heterogene Mikrohabitate, in denen sich mikrobielle Prozesse konzentrieren und dynamisch neu organisieren. Ein besonderer Fokus liegt auf Küstenhypoxie in Form hypoxischer Wellen sowie auf marinen Hitzewellen. Deren Auftreten, Intensität und Häufigkeit sind eng mit diesen physikalisch angetriebenen Austauschprozessen verknüpft. Zugleich beeinflussen sie die Verfügbarkeit von Sauerstoff und Substraten sowie den mikrobiellen Stoffumsatz erheblich.

AP3 zielt darauf ab, die Umwandlung organischer Substanz sowie den Umsatz und die Entfernung von Nährstoffen durch eine Kombination experimenteller Ansätze und In-situ-Beobachtungen quantitativ zu erfassen. Die gekoppelten Stickstoff-, Kohlenstoff-, Phosphor- und Schwefelkreisläufe an der Sediment-Wasser-Grenzfläche werden räumlich und zeitlich aufgelöst untersucht. Dabei werden externe Einträge, etwa Nährstofffrachten und Partikelflüsse, ausdrücklich mit der benthischen Verarbeitung und dem Export in tiefere Wasserschichten verknüpft. Ein zentrales Ziel ist es, zu verstehen, wie physikalische Transportprozesse die Verfügbarkeit von Elektronendonatoren und -akzeptoren regulieren und dadurch mikrobielle Reaktionsraten und Stoffwechselwege steuern – insbesondere unter wechselnden Sauerstoff- und Temperaturbedingungen, einschließlich hypoxischer Wellen und Hitzestress.

Wissenschaftliche Fragestellungen:

• Wie entstehen hypoxische Ereignisse in Küstengewässern, und welche Rolle spielen dabei sandige Sedimente und organische Partikel?
• Wie werden Stickstoffrückhalt und Stickstoffverluste in Küstensedimenten reguliert?
• Welche Rolle spielen hypoxische Ereignisse für Stickstoffverluste?
• Wie beeinflussen Sauerstoffmangelereignisse die Phosphordynamik in Sedimenten, und welche Rolle spielen dabei bewegliche Mikroorganismen?
• Welche Faktoren steuern die Schwefeloxidation in Küstensanden?

Methoden

Wir verfolgen einen integrativen Ansatz, der Feldmessungen, experimentelle Bestimmungen volumetrischer Prozessraten und reaktive Transportmodellierung kombiniert, um die benthisch-pelagische Kopplung mechanistisch zu verstehen. Zur Quantifizierung des Austauschs zwischen Wassersäule und Sediment setzen wir benthische Lander ein, die Sauerstoffverbrauch und Nährstoffflüsse in situ messen. Ergänzend untersuchen wir von Tauchern entnommene Sedimentkerne unter kontrollierten Bedingungen, um die Prozessraten der Nitrifikation, Denitrifikation und dissimilatorischen Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA) zu bestimmen.

Respirationsraten werden sowohl in situ als auch im Labor mithilfe von Inkubationen und hochauflösender Sensorik quantifiziert. Dabei kombinieren wir Nährstoffanalysen mit Mikrosensoren und Optoden, molekularbiologischen Methoden (Sequenzierung, Anreicherung und Kultivierung) sowie Isotopen- und Radiotracerverfahren. Die Sauerstoffbedingungen werden mithilfe massenflussgeregelter Gasgemische gezielt variiert, um natürliche Schwankungen wie hypoxische Ereignisse zu simulieren. Autonome Sensoren ermöglichen kontinuierliche Phosphatmessungen, ergänzt durch Ionenchromatographie und Analysen von Komponenten des Schwefelkreislaufs.

Die gemessenen Prozessraten werden in den hydrodynamischen und biogeochemischen Kontext langfristiger Verankerungsbeobachtungen (AP1) und autonomer Probenahmen (AP2) eingebettet. Dadurch lässt sich mit hoher zeitlicher Auflösung mechanistisch erfassen, wie episodische Ereignisse und kontinuierliche Einflussfaktoren die Stoffwechselaktivität und den benthisch-pelagischen Austausch prägen. Alle Daten fließen in reaktive Transportmodelle (AP4) ein, um die Wechselwirkungen zwischen physikalischem Transport und mikrobiellen Reaktionen über verschiedene Skalen hinweg zu quantifizieren und vorherzusagen sowie ihre Auswirkungen auf Küsten und Gesellschaft abzuschätzen (AP5).

Instruments

• Kammerlander (Unisense)
• Modifizierte, frei fallende Partikelkamera (UVP6, Hydroptic) zur hochauflösenden Messung der Partikelhäufigkeit in der Wassersäule
• Eddy-Kovarianz-Lander (Nortek ADV, Pyroscience AquapHOx) zur Messung von Sauerstoffflüssen in Küstenlebensräumen
• S2B-Lander (Eigenentwicklung) zur Messung von Sauerstoffprofilen, Strömungsgeschwindigkeiten und Licht
• Membraneinlass-Massenspektrometrie (Bay Instruments) und Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie zur Bestimmung mikrobieller Umsatzraten
• Lab-on-a-Chip-Phosphatsensor (Clearwater)
• Rezirkulierender Strömungskanal (1 m) mit einem Aufbau für Particle Image Velocimetry (ILA 5150, Optolution)
• Mikrosensoren (Optoden und elektrochemische Sensoren) sowie planare Optoden zur räumlich aufgelösten Messung von Sauerstoffverteilungen

Impressionen

Scientific diver collecting sediment samples. The sediment cores are stored in a transport container.	The newly developed S2B lander used to measure benthic-pelagic coupling deployed on the seafloor.
Mooring with the Lab-on-a-chip phosphate sensor in the foreground.	Deployment of S2B Lander from the research vessel Elisabeth Mann-Borgese.
Various microsensors are used to study exchange processes.	Recirculation flume to study sediment-water exchange fluxes.