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Research topic 2: Groundwater composition

The subterranean estuary modulates the composition of submarine groundwater discharge (SGD) constituents such as macronutrients (N, P, Si), micronutrients (Fe), and dissolved organic matter (DOM). Due to the mixing of recirculating seawater and fresh groundwater, precipitation/dissolution reactions can occur, and new electron donors (labile marine DOM) are introduced to electron acceptors (Fe oxides, nitrate). We study the biogeochemical reactions occurring at the recharge zone where seawater is introduced into the beach sediment and at discharge sites where groundwater is released to nearshore waters. The heart of the topic is a thorough assembly of physical (temperature, salinity) and chemical (redox-sensitive trace metals, nutrients, DOM) field data throughout the shallow subterranean estuary. These data are collected in unprecedented analytical detail (Fe isotope analyses and ultra-high-resolution mass spectrometry analyses of DOM). Our results on SGD composition and modification are fed into research topic 1 (Groundwater flow pattern) to determine SGD constituent fluxes to the coastal water column, and research topic 3 (Groundwater microbiology) to assess the boundary conditions for biotic transformations of SGD constituents.

Projekt Biogeochemie

Leitung
Prof. Dr. Hans-Jürgen Brumsack (Mikrobiogeochemie)
Prof. Dr. Katharina Pahnke-May (Marine Isotopengeochemie)

Doktorand
Janis Ahrens (Mikrobiogeochemie)

Wissenschaftliche Mitarbeiter*innen
Dr. Melanie Beck (Mikrobiogeochemie)
Dr. Claudia Ehlert (Marine Isotopengeochemie)
Dr. Philipp Böning (Marine Isotopengeochemie)

Zielsetzung
Um den Export von Stoffen aus Stränden durch unterirdische Grundwasseraustritte in die offene Wassersäule zu quantifizieren, ist es wichtig die Prozesse in der Mischungszone zwischen süßem und salzigem Grundwasser – im sogenannten „unterirdischem Ästuar“ – zu verstehen. Viele der vom Grundwasser transportierten Nährstoffe und Spurenelemente werden in diesem Bereich durch biologische Aktivität und chemische Reaktionen umgewandelt, fixiert oder freigesetzt. Unser Ziel ist es die biogeochemischen Reaktionen im unterirdischen Ästuar zu untersuchen, die den Nährstoff- und Spurenelementexport in die Nordsee beeinflussen.
Bisher wurden die meisten Studien zu dieser Thematik an geschützten Standorten mit geringem Tidenhub durchgeführt. Die Erkenntnisse des wellen- und tidenbeeinflussten Standorts Spiekeroog sind überregional bedeutend, da ein großer Teil der globalen Küstenlinien von Stränden ähnlicher Energieregimes bedeckt ist.

Interaktionen zwischen fester und flüssiger Phase
Die Transformation von Nährstoffen und Spurenmetallen im küstennahen Grundwasserleiter sind im besonders im unterirdischen Ästuar zu erwarten, wo starke Gradienten im Salzgehalt und Oxidationspotenzial auftreten. Für Letzteres spielt der Abbau vom organischen Kohlenstoff eine wichtige Rolle (Projekt DOM).
Die entscheidende Frage dabei ist, ob das unterirdische Ästuar als Senke oder als Quelle für Nährstoffe und Spurenelemente dient. So können Veränderungen im Oxidationspotential (Sauerstoffgradienten; Projekt Sauerstoff- und Stickstoff Kreisläufe) zur Ausfällung und Fixierung von gelösten Spurenelementen führen, aber auch Lösungsprozesse in Gang setzen. Zudem können Mikroorganismen feste Metalloxide umsetzen, um die daraus entstehende Energie zu nutzen. Die freigesetzten Metalle wiederrum können durch advektiven Transport (Projekt Hydrologie) in die Nordsee gelangen.

Strandsande als Eisenquelle für die Nordsee?
Ohne Eisen kann im Ozean keine Photosynthese stattfinden, da es ein essentieller Mikronährstoff ist. Manche Grundwässer des Strandes enthalten im Vergleich zum Nordseewasser mehr als tausendfach höhere Konzentrationen an gelöstem Eisen. Es ist zwar bekannt, dass gelöstes Eisen bereits im Sediment wieder zu festen Eisenmineralen oxidieren kann. Der tatsächliche Verbleib des gelösten Eisens in einem hochdynamischen System wie dem Strand Spiekeroogs ist jedoch unklar.

Räumliche und zeitliche Heterogenität
Um der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Grundwasseraustritte gerecht zu werden, nutzen wir verschiedene Probenahme-Schemata zu verschiedenen Jahreszeiten.Die anorganische Analytik des ICBM Oldenburgs umfasst eine große Auswahl an moderner analytischer Infrastruktur. Mittels photometrischer Methoden, unterschiedlichen massenspektrometrischen Methoden (ICP-MS, MC-ICP-MS) und radiochemischen Methoden können sowohl flüssige als auch feste Proben analysiert werden.

 

Masterarbeit
Michael Kossack: Coupling short-term pore water residence times with biogeochemical cycles in a tidal subterranean estuary: A tracer study using 222Rn and 223,224Ra.

Bachelorarbeit
Stina Hahn: Nährstoff- und Spurenmetall-Gradienten im intertidalen Bereich eines 2,5 km langen Strandabschnitts auf Spiekeroog.

Praktikum
Mirijam Hannah Steinmetz: "Seasonal variations in beach topography and nutrient cycling"

 

Vorträge und Posterpräsentationen auf internationalen Konferenzen
Ahrens J, Degenhardt J, Böning P, Beck M, Schnetger B, Pahnke K, Brumsack H-J (2019): Iron cycling in a high-energy beach. Submarine Groundwater Discharge Workshop, ZMT Bremen, Deutschland (Vortrag).

Kossack M, Ahrens J, Beck M, Schnetger B, Brumsack H-J (2018): Short-term circulation at a mesotidal beach: A tracer study using 222Rn and 223,224Ra isotopes. 7th international RaRn workshop, Delmenhorst, Deutschland (Posterpräsentation).

Ahrens J, Beck M, Greskowiak J, Grünenbaum N, Degenhardt J, Waska H, Schnetger B, Brumsack H-J (2018): Efficient nutrient cycling in the subterranean estuary of an exposed sandy beach. SWIM, Gdansk, Polen (Vortrag).

Ahrens J, Beck M, Waska H, Schnetger B, Brumsack H-J (2017): Spatial variability in pore water biogeochemistry and trace metal cycling of a subterranean estuary. Goldschmidt Conference, Paris, Frankreich (Posterpräsentation).

Project DOM

Leads
Prof. Dr. Thorsten Dittmar (ICBM-MPI Bridging Group for Marine Geochemistry)
Dr. Hannelore Waska (ICBM-MPI Bridging Group for Marine Geochemistry)

PhD student
Roger Carvalho (CAPES fellow, ICBM-MPI Bridging Group for Marine Geochemistry)

Research Scientist
Heike Simon (ICBM-MPI Bridging Group for Marine Geochemistry)

 

Objective
The role of DOM on microbial processes in the subterranean estuary, the modulation of SGD-derived DOM at the sediment-water interface, especially due to microphytobenthic primary production, and the interaction of DOM with trace metals such as Fe, are investigated.

 

DOM as fuel for the microbial bioreactor
Biological transformations of DOM are studied over different seasons, in three main zones of the subterranean estuary: The seawater infiltration zone at the high water line, the dynamic in- and exfiltration zones of the intertidal ridge and runnel structure, and the exfiltration zone at the low water line. In addition, flow-core experiments and time series investigations help elucidate pathways of DOM processing. By combining targeted amino acid and carbohydrate analyses with ultra-high resolution mass spectrometry (Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FT-ICR-MS) we can track release and respiration of labile DOM compounds from terrestrial and marine sources.

 

The iron curtain: A transient trap for terrestrial DOM
At redox gradients in the subterranean estuary, dissolved, reduced Fe(II) precipitates as iron(III) oxides, scavenging chemical species such as manganese, phosphate, and arsenic. The so-called “iron curtain” also acts as a molecular filter which selectively retains aromatic, carboxyl-rich DOM fractions commonly stemming from terrestrial biomass. In the scope of BIME, this so far unknown DOM sequestration zone is investigated with regards to its distribution, temporal stability, and quantity. The scavenging and release of this “humic-like” terrestrial DOM fraction is investigated with hand-held sensors for fluorescent DOM (FDOM) and via ultra-high resolution FT-ICR-MS of batch samples from natural pore water and experimental setups.


Presentations at national and international symposia
Waska H, Ahrens J, Grünenbaum N, Massmann G, Meier D, Schwalfenberg K, Simon H, Zielinski O, Dittmar T (2018): Beach morphology impacts dissolved organic matter (DOM) dynamics in the subterranean estuary. ASLO Ocean Science Meeting, Portland (Oregon), USA.

Waska H, Ahrens J, Maier D, Schwalfenberg K, Simon H, Zielinski O, Dittmar, T (2017): Lifting the iron curtain: Release of dissolved organic matter (DOM) in an iron(II) reduction zone of the subterranean estuary. Goldschmidt 2017, Paris, France

ICons/xBM-chsgWebmastps3rer (sipyyv3bei9ltt.riexinger@ugjmol.d8j1gde) (Stand: 07.11.2019)