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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001037-3

Transformation processes of redox-sensitive trace metals in the water column and sediments of temperate tidal systems

  • Tidal flats represent the transition zone between the terrestrial and marine realm. They are subject to pronounced dynamics due to distinct tidal and seasonal variations of physical, chemical, and biological parameters significantly influencing redox-sensitive element cycles. Thus, redox-sensitive trace metals may be suitable indicators for variations in bioproductivity and microbial activity. Therefore, seasonal and tidal dynamics of manganese, iron, molybdenum, uranium, and vanadium were studied in the water column and sediments of tidal systems of the German Wadden Sea (southern North Sea) in the years 2007 to 2009 involving also previously analysed data from year 2002. To demonstrate the response of the trace metal cycles on phytoplankton blooms and enhanced biological activity time series data of nutrients and phytoplankton dynamics were also involved in this study. Pronounced cycling is seen for pelagic manganese revealing distinctly higher values during low tide. Complex seasonal cycling showing maxima of dissolved manganese in spring and late summer and a depletion period in early summer is caused by benthic-pelagic coupling and reflection of exhaustion and replenishing periods in the surface sediments. Vanadium dynamics are coupled to the manganese cycling due to vanadium scavenging and release during manganese oxide formation and reduction, respectively. Molybdenum and uranium behave almost conservatively following changes in salinity and thus, being slightly enhanced during high tide. Deviations from conservative behaviour are found to occur during breakdowns of summer phytoplankton blooms. In the following, significant enrichments of manganese, molybdenum, iron, and uranium are observed in the shallow pore waters. These coherences are assumed to be caused by a tight coupling of geochemical, biological, and sedimentological processes. Intense release of organic matter during the breakdowns of algae blooms leads together with enhanced bacterial activity in summer to the formation of organic- and trace metal-rich aggregates which are deposited and incorporated into the tidal surface sediments. Microbial decomposition of the aggregates and corresponding shifts in redox-conditions effect a release of dissolved trace metals into the pore water. Subsequently, the trace metals are fixed in the sediment as sulphides, adsorbed to organic compounds or released to the overlying bottom water. Furthermore, two tidal systems, one from the East Frisian and one from the North Frisian Wadden Sea are compared. Although, both areas show different hydrodynamical, sedimentological, and ecological conditions similar manganese dynamics are observed implying that this is a common behaviour in the entire Wadden Sea. However, distinct quantitative differences appear showing a 6-fold higher level of dissolved manganese in the water column of the East Frisian area. This is explained by a higher manganese release from tidal flat sediments and a larger sediment area/water volume ratio compared to the North Frisian area. Detailed time-series data of the nutrients phosphate, silica, and nitrite+nitrate are used to verify model simulations and to calculate nutrient export budgets considering tidal and seasonal variations. The model results imply an export of nutrients from the tidal flats into the open waters of the German Bight which is in the same order of magnitude as the combined discharge of the rivers Elbe, Weser, and Ems. To investigate the importance of the Wadden Sea as a potential manganese source for the North Sea, transects were carried out into several tidal flat areas of the North Frisian Wadden Sea. The results suggest that the North Frisian Wadden Sea is a less important source for dissolved manganese compared to the East Frisian area. In contrary, the export of particulate manganese seems to be more important showing distinctly higher concentrations in the North Frisian study areas in summer. The influence of sediment permeability and bioturbation on trace metal budgets of the pore waters are investigated in natural and experimentally manipulated tidal flat sediments. Advective pore water transport in highly permeable sandy sediments and bioturbation promote exchange processes at the sediment/water interface probably leading to reduced nutrient and trace metal enrichments in the shallow pore waters. Furthermore, the penetration of oxygen into deeper sediment layers induces a release of sulphidic bound molybdenum to the pore water. During laboratory experiments with natural anoxic sediments an effective oxidative molybdenum release is determined during resuspension of the sediments in oxic seawater. Thus, pronounced sediment resuspension during storm events is suggested to cause significant release of molybdate from displaced anoxic sediment components thereby enhancing the molybdate level of the open water column. In addition to the examination of recent biogeochemical processes, the paleo-environmental influence on geochemical and microbiological processes in Holocene and Pleistocene sediments of the East Frisian study area were analysed in an interdisciplinary study. It is found that the microbial abundance and activity are higher in the Holocene than in the Pleistocene sediments. However, this is mainly caused by present environmental conditions. The impact of the paleo-environment on the microbiology is less pronounced. The lithological succession affects hydrological processes which enable the transfer of electron donors and acceptors for present early diagenetic processes into deep sediment layers. The paleo-environmental imprint is still detectable but the modern biogeochemical processes dominate in the sediment-pore water system.
  • Wattgebiete bilden die Übergangszone zwischen Land und Meer und unterliegen daher erheblichen tidalen und saisonalen Veränderungen physikalischer, chemischer und biologischer Parameter. Diese Dynamik hat einen maßgeblichen Einfluss auf redox-sensitive Elementkreisläufe. Daher sind redox-sensitive Spurenmetalle wahrscheinlich geeignete Indikatoren für Veränderungen in der Bioproduktivität und mikrobiellen Aktivität. Deshalb wurde die saisonale und tidale Dynamik von Mangan, Eisen, Molybdän, Uran und Vanadium in der Wassersäule und im Sediment des Deutschen Wattenmeeres in den Jahren 2007 bis 2009 untersucht, unter Einbindung schon bestehender Daten aus dem Jahr 2002. Um die Reaktion der Spurenmetallkreisläufe auf Algenblüten sowie erhöhte biologische Aktivität darzustellen, wurden Nährstoff- und Phytoplanktondaten mit einbezogen. Mangan zeigt im Meerwasser eine sehr ausgeprägte Dynamik mit erhöhten Konzentrationen während der Niedrigwasserphasen. Im Frühjahr und Spätsommer treten ausgeprägte Manganmaxima auf, die durch eine Verarmungsphase im Frühsommer unterbrochen sind. Dies ist verursacht durch benthisch-pelagische Kopplung und die Reaktion auf Verarmungs- und Anreicherungsphasen im Oberflächensediment. Die Dynamik des Vanadiums ist eng an den Mangankreislauf gekoppelt durch „Scavenging“ in Manganoxiden sowie erneuter Freisetzung bei der Reduktion der Oxide. Molybdän und Uran verhalten sich annähernd konservativ, indem sie Änderungen des Salzgehaltes folgen. Deshalb zeigen sie während der Hochwasserphasen leicht erhöhte Konzentrationen. Abweichungen vom konservativen Verhalten sind jedoch während des Zusammenbruchs von Sommeralgenblüten zu beobachten. Im Anschluss daran treten erhöhte Anreicherungen von Mangan, Molybdän, Eisen und Uran im oberflächennahen Porenwasser auf. Dies wird durch eine enge Kopplung geochemischer, biologischer und sedimentologischer Prozesse erklärt. Die Freisetzung organischen Materials während des Zusammenbruchs von Algenblüten führt zusammen mit einer erhöhten bakteriellen Aktivität zur Bildung organik- und spurenmetallreicher Aggregate, die auf der Wattoberfläche abgelagert und ins Sediment eingearbeitet werden. Dort führen die mikrobielle Zersetzung der Aggregate und veränderte Redoxbedingungen zur Freisetzung gelöster Spurenmetalle ins Porenwasser. Anschließend werden die Spurenmetalle sulfidisch oder organisch gebunden oder diffundieren in die Wassersäule. Es folgte ein Vergleich zweier tidaler Systeme im Ostfriesischen und im Nordfriesischen Wattenmeer. Obwohl beide Gebiete hydrodynamische, sedimentologische und ökologische Unterschiede aufweisen, kann eine ähnliche Mangandynamik beobachtet werden. Es treten allerdings deutliche quantitative Unterschiede auf. So sind die Konzentrationen des gelösten Mangans im ostfriesischen Gebiet 6-fach höher als im nordfriesischen, was mit einer höheren Manganfreisetzung aus den Wattsedimenten sowie einem größerem Sedimentfläche/Wassersäulen-Verhältnis des Untersuchungsgebiets erklärt wird. Detaillierte Zeitreihenstudien von Phosphat, Kieselsäure und Nitrit+Nitrat wurden verwendet, um Modellsimulationen zu verifizieren sowie Nährstoffexporte zu berechnen, unter Berücksichtigung tidaler und saisonaler Veränderungen. Die Ergebnisse der Modellierungen zeigen einen Export von Nährstoffen aus den Watten in die Deutsche Bucht, der dem gesamten Nährstoffeintrag durch die Flüsse Elbe, Weser und Ems entspricht. Um die Bedeutung des Wattenmeeres als Manganquelle für die Nordsee zu untersuchen, wurden Transektfahrten in mehrere nordfriesische Tidebecken unternommen. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass das Nordfriesische Wattenmeer eine weniger bedeutende Quelle für gelöstes Mangan als das Ostfriesische Wattenmeer ist. Im Gegensatz dazu ist der Export von partikulärem Mangan im nordfriesischen Gebiet bedeutender, wie erheblich höhere Mangan-Konzentrationen vor allem im Sommer zeigen. Der Einfluss von Sedimentpermeabilität und Bioturbation auf die Spurenmetalle im Porenwasser wurde in natürlichen und experimentell veränderten Wattsedimenten untersucht. Advektiver Porenwassertransport in hoch permeablen, sandigen Sedimenten und Bioturbation begünstigen Austauschprozesse an der Sediment/Wasser-Grenzfläche, was zu einer Reduzierung von Nährstoffen und Spurenmetallen im Porenwasser führt. Zudem bewirkt das Eindringen von Sauerstoff in tiefere Sedimentschichten die Freisetzung von sulfidisch gebundenem Molybdän. In Laborexperimenten mit natürlichen anoxischen Sedimenten wurde eine effektive oxidative Molybdänfreisetzung während der Resuspension in oxischem Meerwasser festgestellt. Deshalb wird eine erhebliche Beeinflussung der Meerwasserkonzentrationen durch eine verstärkte Molybdat-Freisetzung aus umgelagerten anoxischen Sedimenten während Sturmereignissen angenommen. Neben den Analysen rezenter biogeochemischer Prozesse wurde in einer interdisziplinären Studie der Einfluss von Paläo-Umweltbedingungen auf geochemische und mikrobiologische Prozesse in holozänen und pleistozänen Sedimenten untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die mikrobielle Abundanz und Aktivität höher in den holozänen als in den pleistozänen Sedimenten ist. Dies ist hauptsächlich durch heutige Umweltbedingungen verursacht. Die Paläo-Umweltbedingungen haben dagegen einen geringeren Einfluss auf die Mikrobiologie. Die Abfolge der lithologischen Einheiten bestimmt die Hydrologie und somit den Transfer von Elektronenakzeptoren und –donatoren in tiefe Sedimentschichten. Die Prägung durch Paläo-Umweltbedingungen ist noch nachweisbar, allerdings dominieren die heutigen biogeochemischen Prozesse im Sediment-Porenwasser System.

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Metadaten
Author: Nicole Kowalski
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001037-3
Title Additional (German):Transformationsprozesse redox-sensitiver Spurenmetalle in Wassersäule und Sediment gemäßigter tidaler Systeme
Advisor:Prof. Dr. Michael Kersten, Prof. Dr. Michael E. Böttcher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/07/22
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2011/05/05
Release Date:2011/07/22
Tag:nutrients, phytoplankton, redox-sensitive trace metals, sediment, water column
GND Keyword:Geochemie, Mangan, Molybdän, Nordsee <Süd>, Watt
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geographie und Geologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 550 Geowissenschaften, Geologie