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Beaches and tidal flats

Bioreaktoren Watt und Strand

Entlang der südlichen und östlichen Nordseeküste erstreckt sich eines der weltweit größten Wattenmeergebiete (UNESCO-Weltnaturerbe). Die Wattflächen liegen zwischen dem Festland und einer Kette von Barriereinseln. Zweimal täglich wird das Watt während Hochwasser überflutet und fällt bei Niedrigwasser wieder trocken, wobei das Meerwasser durch Priele und Wasserwege zwischen den Barriereinseln zurück in die Nordsee fließt.

Mit dem einströmenden Wasser wird gelöstes und partikuläres organisches Material, z.B. Algenreste, transportiert, das mit dem Meerwasser in die Sedimente eindringt oder darauf abgelagert wird. Während die Wattflächen freiliegen, führt Lichteinstrahlung außerdem zu Algenwachstum auf der Sedimentoberfläche. Auch höhere Organismen, wie zum Beispiel Wattwürmer, haben sich an die extremen Bedingungen (wechselnde Lichteinstrahlung, Temperatur, regelmäßige Überflutung und Sedimenttransport) angepasst.

Im Sediment wird organisches Material von Mikroorganismen zu anorganischen Nährstoffen  (C, N, P) abgebaut, die sich im Porenwasser anreichern. Sich auflösende Opalschalen von Kieselalgen führen außerdem zu erhöhten Silizium-Konzentrationen im Porenwasser. Für den Abbau des organischen Materials verbrauchen Mikroorganismen Sauerstoff. Ist dieser nicht mehr vorhanden, dominieren Mikroorganismen, die den in Nitrat (NO3-), Mangan- und Eisenoxiden und schließlich Sulfat (SO42-) gebundenen Sauerstoff zur Oxidation von organischen Verbindungen nutzen können. Sind alle diese Oxidationsmittel verbraucht findet Methanogenese statt, wobei kleine organische Moleküle, wie Ameisen- oder Essigsäure, zu Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) abgebaut werden. Unsere Forschung zeigt, dass in den Wattflächen viel organisches Material mithilfe dieser Prozesse remineralisiert wird. Die Wattflächen funktionieren also als Bioreaktor.

Während Ebbe drainieren die Wattflächen durch den sich bildenden hydraulischen Gradienten zwischen Porenwasser- und Meerwasserspiegel. Am Messpfahl zwischen den Inseln Langeoog und Spiekeroog messen wir deswegen höhere Nährstoffkonzentrationen bei Ebbe als bei Flut. Diese ins Meer zurückgespülten anorganischen Nährstoffe (C, N, P, Si) und auch Spurenmetalle mit Nährstofffunktion, die durch Reduktionsprozesse im Porenwasser freigesetzt wurden (Mangan und Eisen), können im lichtdurchfluteten Oberflächenwasser nun wieder zur Primärproduktion (Phytoplanktonwachstum) genutzt werden.


Den Stränden auf den Barriereinseln kommt eine ähnliche Bedeutung zu, allerdings bestehen diese generell aus grobkörnigerem Sediment als die geschützten Rückseitenwatten. Besonders die der offenen Nordsee zugewandten Strände sind hoher Wellen- und Strömungsenergie ausgesetzt. Grobkörniges Sediment hat eine höhere Durchlässigkeit als feinkörnige Ablagerungen. Das führt dazu, dass die durch Tide und Wellen induzierte Porenwasserzirkulation, die Sauerstoff und organisches Material einträgt und dessen Abbauprodukte zurück in den Küstenozean schwemmt, schneller verlaufen kann. Es wird also häufig Sauerstoff nachgeliefert, sodass alternative Oxidationsmittel (Mn-, Fe-Oxide, SO42-) nur in begrenztem Maß benötigt werden. Zusätzlich charakterisieren wir das süße Grundwasser, das aus den durch Niederschlag und Versickerung entstandenen Süßwasserreservoirs der Barriereinseln in die Nordsee fließt.

Unser Ziel ist bewerten zu können, zu welchen Anteilen Strände bzw. Wattflächen an der Bioreaktorfunktion dieser küstennahen Sedimente beteiligt sind. Da diese Systeme durch starke Redoxgradienten geprägt sind, werden außerdem die Konzentrationen redoxsensitiver Spurenmetalle wie Uran, Rhenium, Molybdän und Vanadium im Porenwasser verändert. Welche Rolle Wattflächen und Strände für die Zyklen dieser Elemente spielen ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe.

 

Ausgewählte Publikationen:

Reckhardt, A, Beck, M, Seidel, M, Riedel, T, Wehrmann, A., Bartholomä, A, Schnetger, B, Dittmar, T & Brumsack, H-J (2015). Carbon, nutrient and trace metal cycling in sandy sediments: A comparison of high-energy beaches and backbarrier tidal flats. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1-14.

Beck, M & Brumsack, H-J (2012). Biogeochemical cycles in sediment and water column of the Wadden Sea: The example Spiekeroog Island in a regional context. Ocean & Coastal Management, 102-113.

Riedel, T, Lettmann, K, Beck, M & Brumsack, H-J (2010). Tidal variations in groundwater storage and associated discharge from an intertidal coastal aquifer. Journal of Geophysical Research, 1-10.

Beck, M, Dellwig, o, Liebezeit, G, Schnetger, B & Brumsack, H-J (2008a). Spatial and seasonal variations of sulphate, dissolved organic carbon, and nutrients in deep pore waters of intertidal flat sediments. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 307-316.

Beck, M, Dellwig, O, Schnetger, B & Brumsack, H-J (2008b). Cycling of trace metals (Mn, Fe, Mo, U, V, Cr) in deep pore waters of intertidal flat sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2822-2840.

 

ICBM-Webmaster (Stand: 10.09.2018)