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CÁTIA MILENE EHLERT VON AHN

• The exchange of water and dissolved elements between the continents and the oceans occurs via different routes in the hydrological cycle, such as rivers, atmospheric exchange, and submarine groundwater discharge (SGD). In addition, the elemental fluxes in the coastal waters may strongly depend on benthic water-solid-microbe interactions close to the sediment-water interface. It is becoming increasingly recognized that SGD can impact diagenesis and act as a source of water and dissolved substances for coastal ecosystems. The qualitative and quantitative assessment of SGD is still challenging as it requires the identification of suitable geochemical tracers for the complex hydrological and biogeochemical processes in the subterranean estuary. In this study, geochemical analyses were combined with geophysical, hydrological, and biological investigations to gain insights into the mechanisms driving SGD in coastal waters. In addition, onshore ground and surface waters were evaluated to identify the processes controlling the potential end member. The surveys were performed along the Baltic Sea coast: Warnow River and Wismar Bay in Germany, the Gulf of Gdańsk and Puck Bay in Poland, and Hanko Bay in Finland. The results suggest that the analyzed surface water system was strongly impacted by seasonal variations, while SGD displayed a much more stable composition throughout the year. New areas of SGD were also identified along the Baltic Sea. It was also observed that anthropogenic coastal infrastructures could promote SGD affecting the water balance and the benthic fluxes. At other sites, the SGD was associated with natural structures such as pockmarks. The stable isotopic composition of the fresh component of SGD was close to the meteoric water at most sites; however, old groundwaters from distinct aquifers were identified. Combining all sites, SGD showed high variability, ranging from near 0 to up to 300 L m-2 d-1, and the saline SGD was more dominant than the fresh component. The fluxes obtained at one site were even higher than the surface runoff. SGD was higher on sandy sediments, but the elemental fluxes were relatively low. Despite low SGD at muddy sites, interfacial elemental fluxes, enhanced by intense diagenesis in the top sediments, resulted in higher chemical fluxes to the water column. The sediment porewater gradients at the SGD impacted sites suggest that the advective upward flow of groundwater increased the elemental fluxes across the sediment-water interface. Therefore, the dissolved substances of SGD are partly impacted by the processes in the soil zone and aquifer during groundwater development, and partly impacted by the early diagenetic process in the surface sediments. Overall, this study shows the importance of SGD for the biogeochemical cycles of coastal waters. Moreover, 6 it can be concluded that a combination of interdisciplinary approaches can provide a better understanding and assessment of SGD in a specific environment. Although all the studies presented here are local, the methodology and results presented in this thesis can be replicated and thus provide assistance in other coastal areas.
• Der Austausch von Wasser und gelösten Elementen zwischen den Kontinenten und den Ozeanen läuft über verschiedene Wege im Wasserkreislauf, z. B. über Flüsse, den Austausch über die Atmosphäre und über den submarinen Grundwasserabfluss (SGD). Zusätzlich können die Elementflüsse in den Küstengewässern stark von benthischen Wasser-Feststoff-Mikroben-Interaktionen nahe der Sediment-Wasser-Grenzfläche abhängen. Es wird immer mehr erkannt, dass SGD die Diagenese beeinflussen und als Quelle von Wasser und gelösten Stoffen für Küstenökosysteme agieren können. Die qualitativen und quantitativen Untersuchungen von SGD sind nach wie vor eine große Herausforderung, da sie die Bestimmung geochemischer Tracer für die komplexen hydrologischen und biogeochemischen Prozesse im unterirdischen Ästuar erfordern. Geochemische Analysen wurden mit Untersuchungen zur Geophysik, Hydrologie und Biologie kombiniert, um Einblicke in die Mechanismen zu bekommen, die SGD in die Küstengewässer bringen. Zusätzlich wurden die Grund- und Oberflächengewässer an Land untersucht, um die Prozesse zu identifizieren, die potenzielle Endglieder kontrollieren. Die Untersuchungen wurden an den Küsten der Ostsee durchgeführt: Die Warnow und die Wismarer Bucht in Deutschland, der Golf von Danzig und die Puck- Bucht in Polen sowie die Hanko-Bucht in Finnland. Die Oberflächenwassersysteme waren stark von jahreszeitlichen Variationen beeinflusst, während der SGD eine wesentlich stabilere Komposition über das ganze Jahr hatten. Neue Bereiche mit SGD wurden innerhalb der Ostsee identifiziert. Es wurde auch festgestellt, dass anthropogene Küsteninfrastrukturen SGD verstärken können, was sich auf den Wasserkreislauf und die benthischen Stoffflüsse auswirkt. An einigen anderen Stellen war der SGD mit natürlichen Strukturen wie Pockmarks assoziiert. Die stabile Isotopenkomposition der Süßwasserkomponente des SGD war in den meisten Gebieten nahe am Meteorwasser; es wurden jedoch auch alte Grundwässer aus verschiedenen Aquiferen gefunden. Bei der Zusammenfassung aller Gebiete zeigte die SGD eine enorme Variabilität von nahe 0 bis zu 300 l m-2 d-1, wobei der salzhaltige SGD dominanter war als die Süßwasserkomponente. Die an einee Stelle gemessenen Flüsse waren sogar höher als der Oberflächenabfluss. Der SGD war auf sandigen Sedimenten höher, aber die 8 Elementflüsse waren relativ niedrig. Trotz des niedrigen SGD an schlickigen Sedimenten kam es zu höheren Elementenflüssen an den Grenzflächen, die durch die intensive Diagenese in den oberen Sedimenten verstärkt wurden und zu höheren Elementflüssen in die Wassersäule führten. Die sedimentären Porenwassergradienten an den SGDbeeinflussten Stellen legen nahe, dass der advektive Fluss des Grundwassers nach oben die Elementflüsse über die Sediment-Wasser-Grenzfläche erhöht hat. Deshalb sind die gelösten Stoffe zum Teil auf Prozesse in der Bodenzone und im Aquifer während der Grundwasserentwicklung zurückzuführen, zum großen Teil aber auch auf den diagenetischen Prozess in den Oberflächensedimenten. Insgesamt zeigt diese Studie die große Bedeutung von SGD für die biogeochemischen Kreisläufe von Küstengewässern. Darüber hinaus lässt sich ableiten, dass eine Kombination von interdisziplinären Ansätzen ein besseres Verständnis und eine bessere Bewertung von SGD in einer bestimmten Umgebung ermöglichen kann. Obwohl alle hier vorgestellten Studien auf lokaler Ebene durchgeführt wurden, können die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Ergebnisse auf andere Küstengebiete übertragen werden und somit auch dort unterstützen.