Arbeitspaket 3 - Benthisch-pelagische Kopplung

Küstensysteme sind stark durch Hydrodynamik, Sedimentstruktur und Resuspension geprägt und zeichnen sich durch eine intensive benthisch-pelagische Kopplung aus, die den Umsatz von Nährstoffen und organischer Substanz steuert. Physikalische Prozesse regulieren den Austausch zwischen Wassersäule und Sediment, indem sie advektive Porenwasserflüsse antreiben, organische Partikel resuspendieren und umverteilen. Organische Partikel wirken dabei als transiente Hotspots, die pelagische Produktion mit benthischer Mineralisierung verknüpfen und heterogene Mikrohabitate erzeugen, in denen mikrobielle Prozesse konzentriert ablaufen und sich dynamisch reorganisieren. Ein besonderer Fokus liegt auf Küstenhypoxie in Form hypoxischer Wellen sowie auf marinen Hitzewellen, deren Auftreten, Intensität und Frequenz eng mit diesen physikalisch gesteuerten Austauschprozessen verknüpft sind und die die Verfügbarkeit von Sauerstoff und Substraten sowie mikrobielle Stoffumsätze maßgeblich modulieren.

WP3 zielt darauf ab, die Umsetzung organischer Substanz sowie den Umsatz und die Entfernung von Nährstoffen mittels experimenteller Ansätze und in situ Beobachtungen quantitativ zu erfassen. Dabei werden die gekoppelten Stoffkreisläufe von Stickstoff, Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel über die Sediment-Wasser-Grenzfläche hinweg räumlich und zeitlich aufgelöst und externe Einträge (z. B. Nährstofffrachten und Partikelflüsse) explizit mit benthischer Prozessierung und dem Export in tiefere Wasserschichten verknüpft. Ein zentrales Ziel ist es zu verstehen, wie physikalische Transportprozesse die Verfügbarkeit von Elektronendonoren und -akzeptoren steuern und damit mikrobielle Reaktionsraten und -pfade regulieren, insbesondere unter dynamischen Sauerstoff- und Temperaturbedingungen bis hin zu hypoxischen Wellen und Hitzestress.

Wissenschaftliche Fragestellungen:

Wie entstehen Küstenhypoxien, und welche Rolle spielen dabei sandige Sedimente und organische Partikel?
Wie werden Stickstofferhalt und -verluste in küstennahen Sedimenten reguliert?
Welche Rolle spielen hypoxische Events für die Stickstoffverluste?
Wie beeinflussen Sauerstoffmangelereignisse die Phosphordynamik in Sedimenten und welche Rolle spielen motile Mikroorganismen dabei?
Was steuert die Schwefeloxidation in küstennahen Sanden?

Methoden

Wir verfolgen einen integrierten Ansatz aus Feldmessungen, experimentellen Bestimmungen volumetrischer Umsatzraten und reaktiver Transportmodellierung, um die benthisch-pelagische Kopplung mechanistisch zu erfassen. Zur Quantifizierung des Austauschs zwischen Wassersäule und Sediment setzen wir benthische Lander ein, die Sauerstoffzehrung und Nährstoffflüsse in situ messen. Ergänzend untersuchen wir von Tauchern gewonnene Sedimentkerne in kontrollierten Experimenten, um Prozessraten der Nitrifikation, Denitrifikation und dissimilatorischen Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA) zu bestimmen.

Respirationsraten erfassen wir in situ und im Labor mittels Inkubationen und hochaufgelöster Sensorik. Dabei kombinieren wir Nährstoffanalytik mit Mikrosensorik und Optoden, molekularbiologischen Methoden (Sequenzierung, Anreicherung/Kultivierung) sowie Isotopen- und Radiotracer-Techniken. Sauerstoffdynamiken werden durch massenflussgeregelte Gasmischungen gezielt variiert, um natürliche Schwankungen wie hypoxische Ereignisse zu simulieren. Kontinuierliche Phosphatmessungen erfolgen mit autonomer Sensorik, ergänzt durch ionenchromatographische Analysen und Bestimmungen von Komponenten des Schwefelkreislaufs.

Die gemessenen Prozessraten werden in den hydrodynamischen und biogeochemischen Kontext der Zeitserienstationen (WP1) und autonomatisierter Messungen (WP2) eingebettet. Dies ermöglicht eine mechanistische und zeitlich hochaufgelöste Bewertung, wie episodische Ereignisse und kontinuierliche Antriebe die metabolische Aktivität sowie den benthisch-pelagischen Austausch prägen. Die Daten werden in reaktive Transportmodelle (WP4) integriert, um die Wechselwirkungen zwischen physikalischem Transport und mikrobiellen Reaktionen über Skalen hinweg zu quantifizieren und vorherzusagen sowie deren Auswirkungen auf Küsten und Gesellschaft (WP5) abzuschätzen.

Instrumente

Kammerlander (Unisense)
modifizierte freifallende Partikel Kamera (UVP6, Hydroptic) zum hochauflösenden Messen von Partikelabundanzen in der Wassersäule
Eddy Covariance Lander (Nortek ADV, Pyroscience AquapHOx) zur Bestimmung von Sauerstoffflüssen in Küstenökosystemen
S2B Lander (Eigenentwicklung) zur Messung von Strömungen, Sauerstoffprofilen,
Membran-inlet Massenspektrometer (Bay Instruments) zur Bestimmung von Umsatzraten
Lab-on-a-chip Phosphatsensor (Clearwater)
Strömungskanal (1 m) mit Particle Image Velocimetry setup (ILA 5150, Optolution)
Mikrosensoren (Optoden und Elektrochemische Sensoren), Planar Optoden zur flächigen Bestimmung von Sauerstoffverteilungen