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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-49757
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/4975/


Sources and sinks of reactive Nitrogen in the German Bight

Quellen und Senken reaktiven Stickstoffs in der Deutschen Bucht

Deek, Astrid

Originalveröffentlichung: (2011) 1) Johannsen, A., Dähnke, K., Emeis, K. (2008) Isotopic composition of nitrate in five German rivers discharging into the North Sea. Organic Geochemistry 39: 1678-1689. 2) Deek, A., Emeis, K., Struck, U. (2010) Seasonal variations in nitrate isotope composition of three rivers draining into the North Sea, Biogeosciences Discussions 7: 6051-6088. 3) Deek, A., Emeis, K., van Beusekom, J.: Denitrification in coastal sediments of the German Wadden Sea, submitted to Biogeochemistry.
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SWD-Schlagwörter: Stickstoff , Deutsche Bucht , Eutrophierung , Meeressediment
Basisklassifikation: 38.95 , 38.48 , 38.32
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Emeis, Kay-Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.01.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 21.01.2011
Kurzfassung auf Englisch: Anthropogenically influenced rivers discharge massive loads of reactive Nitrogen (rN) into the German Bight. Increasing rN inputs lead to increased primary production in adjacent coastal zones which causes enhanced algal growth, shift in species composition and occurring oxygen deficiency resulting in eutrophication of aquatic ecosystems. Reducing accompanied negative side-effects requires a detailed assessment of sources and sinks of rN.
In this thesis, nitrate sources in rivers discharging into the German Bight are determined by means of isotopic composition of nitrate. To estimate the amount of nitrate degraded in the adjacent coastal zone, denitrification rates in sediments of the north German Wadden Sea and the Elbe Estuary are determined.
In chapter 2 and 3, the isotopic signal of nitrate in several rivers discharging into the German Bight is investigated. In general, German rivers are influenced by anthropogenic land use in their catchment areas which is mirrored in the isotopic value of nitrate that differs from pristine riverine isotopic signals. Strong seasonal variations in isotopic values are caused by assimilation processes in biological active seasons. All together, sources of rN and the nitrate consumption efficiency interrelated with the current velocity determines the isotopic composition of riverine nitrate.
In chapter 4 and 5, the amount of nitrate degraded by denitrification within sediments of the adjacent coastal zone and within the Elbe Estuary is investigated. To do this, denitrification rates in various sediment types in seasonal resolution and varying distance to the Elbe River plume are determined. Furthermore denitrification rates along the nitrate gradient of the Elbe River are raised. It is seen that sediments under study have a generally high potential to degrade nitrate. The amount of denitrified nitrate depends mostly on nitrate concentration in the overlying water body, temperature and the organic matter content of the respective sediment. Even though relatively high denitrification rates in coastal German Bight sediments and in Elbe sediments are measured, respective sedimentary nitrate removal only buffers 17% of the total Elbe River nitrate load.
In sum, this study contributes to a better identification of anthropogenic rN sources within the German Bight catchment and demonstrates on the one hand a high potential of the German Bight to buffer increasing nitrate loads which is on the other hand a limited capacity due to environmental conditions.
Kurzfassung auf Deutsch: In die Deutsche Bucht werden erhebliche Mengen reaktiven Stickstoffs aus menschlichen Quellen über die Atmosphäre und Flüsse eingetragen. Der erhöhte Stickstoffeintrag führt zu
einer gesteigerten Primärproduktion in der angrenzenden Küstenregion, welche in ein vermehrtes Wachstum von Algen, in eine Verschiebung der Artenzusammensetzung und
teilweise auftretenden Sauerstoffmangel resultieren. Die technischen Maßnahmen zur Reduktion der N-Einträge und zur Zurückführung der Eutrophierung sind kostenintensiv, aber
der Eutrophierung stehen auch natürliche Prozesse der Stickstoffzehrung – vorwiegend in Sedimenten der küstennahen Bereiche – entgegen. Um die Folgen und das Ausmaß der Eutrophierung abschätzen und um die natürlichen Senken reaktiven Stickstoffs quantifizieren zu können, sind Untersuchungen zu der Herkunft, der Variabilität in den Quellen und Senken, und zu internen Umsätzen von Stickstoff im Übergang vom Land zum Meer erforderlich.
In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe der Isotopensignatur des Nitrats Quellen reaktiven Stickstoffs in Nordseezuflüssen bestimmt. Weiterhin werden Denitrifizierungsraten in Sedimenten des Elbeästuars und des Schleswig-Holsteinischen Wattenmeers bestimmt, so dass eine Abschätzung des natürlichen Nitratabbauvermögens der and die Elbe grenzende Küstenregion erfolgen kann.
In den Kapiteln 2 und 3 wird der isotopische Fingerabdruck des Nitrats in verschiedenen Flüssen bestimmt, die in die Deutsche Bucht münden. Diese Flüsse sind durch ein
vorwiegend anthropogen genutztes Einzugsgebiet beeinflusst, was sich in einer charakteristischen Isotopensignatur widerspiegelt, die sich deutlich von der Isotopensignatur
naturnaher Flüsse unterscheidet. Weiterhin zeigt sich eine starke saisonale Schwankung der Isotopensignatur, die durch Assimilationsprozesse von Mikroorganismen hervorgerufen wird. Die Quellen reaktiven Stickstoffs und die Effizienz des Nitratverbrauchs, beeinflusst von der jeweiligen Fließgeschwindigkeit, bestimmen wesentlich die Isotopensignatur flussbürtigen Nitrats.
In den Kapiteln 4 und 5 wird untersucht, inwiefern die erhöhten Nitrateinträge in Sedimenten der angrenzenden Küste und innerhalb des Elbeästuars auf natürliche Weise mikrobiell
abgebaut, beziehungsweise denitrifiziert werden können. Hierzu werden in saisonaler Auflösung Denitrifizierungsraten in verschiedenen Sedimenttypen in unterschiedlicher
Distanz zur Elbemündung erhoben. Weiterhin werden im Nährstoffgradienten des Elbeästuars Denitrifizierungsraten in unterschiedlichen Sedimenttypen bestimmt. Die Sedimente weisen generell ein relativ großes potentielles Nitratabbauvermögen auf. Es ist abhängig von der Nitratkonzentration im überliegenden Wasserkörper, der Temperatur und dem organischem Kohlenstoffgehalt des Sedimentes. Sedimente des Schleswig-Holsteinischen Wattenmeers und des Elbeästuars neutralisieren etwa 17% der gesamten Nitratfracht der Elbe. Die Untersuchungen dieser Arbeit tragen also einerseits zur Identifizierung anthropogener Stickstoffquellen im Einzugsgebiet der Deutschen Bucht bei und zeigen zudem auf, dass küstennahe Sedimente der verbleibenden Flussästuare und der
Wattengebiete der Deutschen Bucht eine begrenzte Kapazität besitzen, diese Quellen zu neutralisieren.

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