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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-52645
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5264/


Assessing the role of dissolved organic nitrogen in different aquatic ecosystems

Einschätzung der Rolle des gelösten organischen Stickstoffs in verschiedenen aquatischen Ökosystemen

Schlarbaum, Tim

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SWD-Schlagwörter: Stickstoffkreislauf , Stabiles Isotop , Ästuar , Mittelmeer <Ost> , Unterelbe
Freie Schlagwörter (Deutsch): gelöster organischer Stickstoff , partikulärer Stickstoff
Freie Schlagwörter (Englisch): dissolved organic nitrogen , particulate nitrogen
Basisklassifikation: 38.32
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Emeis, Kay-Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.04.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 06.09.2011
Kurzfassung auf Englisch: Dissolved organic nitrogen (DON) is often one of the largest pools of reactive nitrogen in aquatic environments, but the significance and role of DON in the aquatic nitrogen cycle is still under debate. Until recently, the prevailing view was that DON is a recalcitrant nitrogen pool unavailable to organisms; this view changed in recent years, and DON is increasingly recognised as an important pool and active participant in reactive nitrogen turnover processes. Part of this recognition originated from investigations into stable nitrogen isotope distributions in DON and transformation processes that are associated with distinct isotope fractionation.

In this thesis I used concentration and stable isotope analyses of combined DON and ammonium, and in addition of particular nitrogen (PN) and nitrate to assess the role of DON in the nitrogen cycle of two very different aquatic ecosystems. The Elbe River and estuary represent a eutrophic ecosystem with a large nitrate surplus that may make the utilisation of DON by phytoplankton or heterotrophic organisms unnecessary; these two settings are studied in Chapter 3 (Elbe estuary) and Chapter 4 (Elbe River). The eastern Mediterranean Sea, in contrast, is an example for a highly oligotrophic ecosystem where DON is supposed a play a quantitatively significant role as an N repository and source; results for this system are presented in Chapter 5.

In the Elbe estuary, measurements were made on samples taken along a salinity gradient from 0 to 32 during different seasons (October 2005, June 2006, and December 2006). These data show that in contrast to nitrate DON exhibits non-conservatively mixing in the salinity gradient of the estuary. Combined with changing isotope ratios, this is an indicator for transformation processes and for the existence of sources and sinks of DON in the Elbe estuary. Adsorption and desorption processes are proposed to be the reason for the significant decrease of DON concentrations and isotope ratios in the estuarine turbidity maximum zone (TMZ) and the sharp increase of these parameters at the salty side of the TMZ, since these patterns could be observed in all seasons sampled. Compared to older data, the DON load did not change in the last 25 years.

At the weir of Geesthacht, the dissolved and particulate N-loads and their isotopic composition in the non-tidal part of the Elbe River has been monitored for more than two years (June 2005 to December 2007) at monthly resolution. Nitrate data reveal a two-period annual cycle due to seasonally varying biological productivity, data of combined DON and ammonium a more complex four-period annual cycle. Elution of organic fertilizers from soils in the catchment of the Elbe River is the likely reason for observed differences from expected natural DON and ammonium cycles. The similarities of the trends of δ15DON and δ15PN indicate a close coupling of these nitrogen pools.

The eastern Mediterranean Sea (EMS) is a nutrient-poor oligotrophic ecosystem with unusually low isotope ratios in reactive nitrogen pools compared to other oceanic environments. In January and February 2007, samples were taken at different stations across the EMS and analysed in terms of isotope ratios in nitrate, total dissolved reduced nitrogen (TRN, i.e. mainly DON) and suspended PN. In deep water, nitrate was more depleted in 15N than in comparable oceanic environments. Since PN and TRN were 15N-enriched, extensive mineralisation of PN may be the cause of the isotopic makeup of reactive nitrogen in deep water, and isotopic properties of TRN suggest that it is a by-product of these mineralisation processes in deep water, and generated as a by-product of phytoplankton assimilation or phytoplankton grazing in the euphotic zone.
Kurzfassung auf Deutsch: Gelöster organischer Stickstoff (engl.: dissolved organic nitrogen, DON) repräsentiert in Gewässern oft einen der größten Anteile an reaktiven Stickstoff. Allerdings sind die Bedeutung und die Rolle des DON im aquatischen Stickstoffkreislauf bisher noch nicht hinreichend geklärt. Bis vor einiger Zeit war die vornehmliche Meinung, dass DON ein für Organismen ungeeigneter, abbauresistenter Stickstoffpool sei. Dieser Standpunkt hat sich in den letzten Jahren geändert und DON ist zunehmend in den Fokus gerückt, eine wichtige Quelle und aktiver Teil in Umsetzungsprozessen von reaktivem Stickstoff zu sein. Untersuchungen der Verteilung stabiler Stickstoffisotope in DON sowie in Umsetzungsprozessen, die mit ausgeprägten Isotopenfraktionierungen einhergehen, haben ihren Anteil dazu beigetragen.

In der vorliegenden Arbeit beurteile ich anhand von Konzentrationsmessungen und anhand der Analytik stabiler Stickstoffisotope in kombiniertem DON und Ammonium, sowie zusätzlich von partikulärem Stickstoff (particulate nitrogen, PN) und Nitrat, die Rolle von DON im Stickstoffkreislauf zweier sehr unterschiedlicher aquatischer Ökosysteme. Die Elbe und das Elbeästuar repräsentieren hierbei ein eutrophes Ökosystem, charakterisiert durch einen sehr großen Nitratüberschuss, der die Umsetzung von DON durch Phytoplankton und heterotrophe Organismen unnötig machen sollte. Diese beiden Szenarien werden in den Kapiteln 3 (Elbeästuar) und 4 (Elbe) betrachtet. Im Gegensatz dazu ist das östliche Mittelmeer ein extrem oligotrophes Ökosystem, von dem vermutet wird, dass DON dort eine quantitativ signifikante Rolle als Stickstoffspeicher und –quelle einnimmt; Ergebnisse aus diesem System werden in Kapitel 5 präsentiert.

Im Elbeästuar wurden Proben analysiert, die zu verschiedenen Jahreszeiten (Oktober 2005, Juni 2006 und Dezember 2006) entlang des Salzgradienten von 0 bis 32 genommen wurden. Die daraus resultierenden Daten zeigen, dass DON, im Gegensatz zu Nitrat, nicht-konservatives Mischungsverhalten im Salzgradienten des Ästuars aufweist. Im Zusammenhang mit sich ebenfalls verändernden Isotopen-Verhältnissen ist dies ein Hinweis auf Umsetzungsprozesse im Ästuar und auf die Existenz von Quellen und Senken für DON. Adsorptions- und Desorptionsprozesse sind vermutlich die Ursache für den signifikanten Konzentrationsabfall und das Absinken der Isotopen-Verhältnisse in der ästuaren Trübungsmaximumszone (TMZ) und dem steilen Anstieg dieser beiden Parameter auf der flussabwärts gelegenen Seite der TMZ. Dieses Verhaltensmuster konnte in allen beobachteten Jahreszeiten nachgewiesen werden. Bei Vergleichen mit Daten älterer Studien zeigt sich, dass DON-Frachten im Elbeästuar in den letzten 25 Jahren unverändert geblieben sind.

Am Geesthachter Wehr wurden gelöste und partikuläre Stickstofffrachten und ihre Isotopenverhältnisse in der Tide-freien Elbe über mehr als zwei Jahre in monatlicher Auflösung analysiert (Juni 2005 bis Dezember 2007). Die Daten für Nitrat weisen einen Jahreszyklus mit zwei Perioden auf, bedingt durch saisonal variierende biologische Aktivität. Die Daten für kombiniertes DON und Ammonium zeichnen sich durch einen komplexeren Zyklus mit vier Perioden pro Jahr aus. Das Auswaschen von organischen Düngemitteln aus den Böden im Elbumland wird als Ursache für diese Abweichung von dem erwarteten natürlichen Jahreszyklus angenommen. Die ähnlichen Verläufe der δ15DON- und δ15PN-Daten weisen dabei auf eine enge Verbindung dieser beiden Stickstoffgruppen hin.

Das östliche Mittelmeer ist ein nährstoffarmes oligotrophes Ökosystem mit im Vergleich zu anderen Meeren ungewöhnlich niedrigen Isotopenverhältnissen in reaktiven Stickstoffverbindungen. Im Januar und Februar 2007 wurden Proben an verschieden Stationen des östlichen Mittelmeeres genommen und auf Isotopenverhältnisse in Nitrat, gesamt gelösten reduzierten Stickstoff (total dissolved reduced nitrogen, TRN, d.h. hauptsächlich DON) und suspendiertem partikulären Stickstoff analysiert. Im Tiefenwasser war Nitrat stärker an 15N abgereichert als in anderen vergleichbaren Meeren. Da TRN und PN an 15N angereichert waren, wird extensive Mineralisation von PN als Ursache für die Isotopenzusammensetzungen des reaktiven Stickstoffs im Tiefenwasser angenommen. Das Isotopenverhältnis von TRN lässt darauf schließen, dass TRN zum einen ein Nebenprodukt dieser Mineralisation im Tiefenwasser ist, und zum anderen in der euphotischen Zone als Nebenprodukt von Phytoplankton-Assimilation bzw. Phytoplankton-Fraß entsteht.

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