3. MATERIAL UND METHODEN
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Reihe von Oberflächensedimenten und Sedimentkernen vom brasilianischen Kontinentalschelf zwischen 15°S und 20°S sowie Proben aus den angrenzenden Mangrovengebieten untersucht.
Die Beprobung wurde im Rahmen des JOPS (Joint Oceanographic Projects) II - Programms durchgeführt, das Teil der Wissenschaftlich-Technischen Zusammenarbeit zwischen Brasilien und Deutschland ist. Diese Kooperation entstand im Jahre 1969 und schließt seit 1976 die Meeresforschung ein. Die Höhepunkte dieser Zusammenarbeit waren zwei sechsmonatige Aufenthalte des deutschen FS Victor Hensen in brasilianischen Küstengewässern während der südlichen Sommer 1990/1991 und 1994/1995.
JOPS II hatte die Aufgabe, die Sedimentationsprozesse und Produktivität in den Gewässern des Kontinentalschelfs vor Ost- und Nordostbrasilien zu untersuchen. Die Forschungsarbeiten fanden auf 9 Fahrtabschnitten des FS Victor Hensen zwischen Dezember 1994 und Mai 1995 statt. Einer der Abschnitte war den Untersuchungen im Rahmen des JOPS-Teilprojektes: "Biogeochemische Austauschprozesse zwischen kleinen Küstenflüssen und angrenzenden Mangroven mit dem Kontinentalschelf" gewidmet. Dieses Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen der Universität Hamburg und den brasilianischen Universitäten Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF) in Campos de Goitacazes und Universidade Federal Fluminense (UFF) in Niterói durchgeführt.
Während des Fahrtabschnittes vom 29.Dezember 1994 bis 11.Januar 1995 (Vitória-Vitória) wurde der brasilianische Schelf zwischen 15°13,7’S und 20°00.5’S und zwischen 38°35,8’W und 40°02,8’W im Detail beprobt (Abb. 05; Tab. 02). Während des ersten Teils der Fahrt wurde ein Sedimentfallensystem vor der Flußmündung des São Francisco (nördlich des hier untersuchten Arbeitsgebietes) ausgesetzt. Dieses System wurde im Mai 1995 geborgen. Auf jeder Station wurden folgende Arbeiten durchgeführt:
Zusätzlich wurden an drei Stationen Sedimentkerne von bis zu 250 cm Länge mit einem Kolbenlot gewonnen.
An den Stationen wurden Oberflächensedimente und Sedimentkerne mit Hilfe eines Kastengreifers genommen. Die 20-60 cm langen Sedimentkerne wurden bis 10 cm Tiefe in 1 cm Intervallen, zwischen 10 und 20 cm in 2 cm Intervallen, und ab 20 cm in 5 cm Intervallen beprobt. Zusätzlich standen 12 Oberflächenproben aus vier Mangrovengebieten im Arbeitsgebiet Canavieiras, Cabrália, Caravelas und Conceiç ão da Barra und ein 20 cm langer Kern aus Caravelas für die Untersuchung zur Verfügung. (Abb. 05; Tab. 02).
Die Phosphorfraktionierungstechniken gehören zu den erfolgversprechenden Methoden zur Trennung und Messung verschiedener Phosphorreservoire. Seit 1906 wurden solche Techniken zur Bodenuntersuchung entwickelt (Hesse, 1971). Der größte Fortschritt bei den Methoden wurde von Chang und Jackson im Jahre 1957 erzielt. Sie haben verschiedene Extraktoren angeordnet, um Ca-P, Al-P, Fe-P, reduzierten Fe-P und gebundenen Al-Fe-P im Boden zu trennen. In den nachfolgenden Jahren wurde ihr Verfahren mehrmals modifiziert und verändert, was zu neuen Techniken, die die Komplexbildung zur Trennung nutzen, geführt hat (Fabre, 1992, Maine et al., 1992). Alle Methoden beruhen darauf, daß jedes einzelne Reagens Phosphat extrahiert, das an ein bestimmtes Kation gebunden ist.
Abbildung 05: Karte des Arbeitsgebietes mit Probennahmepunkten. Meeresproben sind mit und Mangrovenproben (A: Canavieiras; B: Cabrália; C: Caravelas; D: Conceiç ão da Barra) mit
bezeichnet.
Tabelle 02: Stationsbeschreibung auf dem brasilianischen Schelf und Positionen der Mangrovenproben.
Stationen |
Lat. |
Long. |
Wassertiefe |
Datum |
Anfang |
Ende |
(S) |
(W) |
(m) |
(UTC) |
(Uhr) |
(Uhr) |
|
6 |
15°13,7' |
38°58,4' |
12 |
04.01.95 |
8:21 |
11:02 |
7 |
15°27,5' |
38°55,0' |
10 |
04.01.95 |
12:30 |
15:30 |
8 |
15°41,6' |
38°53,1' |
10 |
04.01.95 |
17:11 |
20:05 |
9 |
15°20,6' |
38°35,8' |
1160 |
05.01.95 |
8:05 |
12:35 |
10 |
15°28,4' |
38°41,5' |
48 |
05.01.95 |
14:00 |
16:52 |
11 |
15°38,1' |
38°50,0' |
21 |
05.01.95 |
18:10 |
21:15 |
12 |
16°16,9' |
38°59,3' |
11 |
06.01.95 |
8:09 |
11:04 |
13 |
16°18,0' |
38°57,5' |
20 |
06.01.95 |
11:22 |
13:20 |
14 |
16°18,5' |
38°52,0' |
28 |
06.01.95 |
14:56 |
15:37 |
15 |
16°27,8' |
39°02,3' |
10 |
06.01.95 |
17:33 |
21:00 |
16 |
17°37,5' |
38°50,3' |
24 |
07.01.95 |
10:00 |
13:09 |
17 |
17°39,0' |
39°03,3' |
10 |
07.01.95 |
15:00 |
18:00 |
18 |
17°47,4' |
39°06,7' |
9 |
07.01.95 |
19:02 |
21:40 |
19 |
17°55,9' |
39°01,7' |
20 |
08.01.95 |
9:59 |
12:43 |
20 |
17°57,6' |
39°18,1' |
10 |
08.01.95 |
15:00 |
17:28 |
24 |
18°57,8' |
39°42,9' |
11 |
09.01.95 |
14:15 |
16:16 |
25 |
19°06,2' |
39°41,9' |
11 |
09.01.95 |
17:14 |
18:43 |
26 |
19°35,8' |
39°45,0' |
10 |
10.01.95 |
8:02 |
9:32 |
28 |
19°52,0' |
40°02,8' |
17 |
10.01.95 |
13:55 |
14:00 |
29 |
20°00,5' |
39°40,0' |
1030 |
10.01.95 |
16:40 |
19:23 |
Canavieiras |
15°40' |
38°55' |
||||
Cabrália |
16°15' |
39°05' |
||||
Caravelas |
17°40' |
39°10' |
||||
Conceição da Barra |
18°40' |
39°40' |
Sequentielle Extraktionsmethoden werden nach ihren Funktionsweisen definiert, die auf der Reaktivität einer Phase gegenüber einem bestimmten Extraktor beruht. Die Ergebnisse weisen auf die Stärke der Phosphorverbindungen im Sediment hin (Wiltshire, 1988). Die Verbindungen werden in einer Stärkereihe getrennt, um die Phasen von der schwächsten bis zur stärksten Verbindung extrahieren zu können. Das SEDEX Schema (Ruttenberg, 1992) teilt den sedimentären Phosphor in 5 Kategorien ein. Das sind (1) leicht adsorbierter oder austauschbarer P; (2) Eisen-gebundener P; (3) karbonat-authigener Fluorapatit + biogener Apatit + CaCO3-gebundener P; (4) magmatischer oder metamorpher detritischer Apatit; und (5) organischer P. In dieser Arbeit wurde eine wenig veränderte Version des SEDEX Schemas (Abb. 06) benutzt. Hier werden die Kategorien als adsorbierter P; Eisen-P; authigener Apatit; detritischer Apatit; und organischer P abgekürzt.
Diese Methode hat drei wichtige Vorteile (Ruttenberg, 1992):
Zunächst einmal werden pro Probe drei Fraktionen von jeweils 0,5 g Sediment eingewogen. Die einzelnen Schritte der Extraktionsverfahren sind in Abb. 06 dargestellt.
Austauschbarer oder leicht adsorbierter P
Die erste Fraktion des Sediments wird unter Zugabe von 50 ml MgCl2 (bei pH 8) in einem Zentrifugenglas geschüttelt. Nach zwei Stunden wird sie zentrifugiert, um das Sediment von dem Überstand (Extrakt) zu trennen. Der Extrakt wird für nachfolgende Analysen aufbewahrt. Zu dem Restsediment wird noch 50 ml MgCl2 (bei pH 8) hinzugefügt und wieder zwei Stunden lang geschüttelt. Die Probe wird dann erneut zentrifugiert und der Extrakt aufbewahrt. Das Sediment wird nun mit 50 ml H2O zwei Stunden lang geschüttelt. Danach wird die Probe erneut zentrifugiert und der Extrakt aufbewahrt. Auch dieser Schritt wird einmal wiederholt. Damit ist der Extraktionsvorgang für die erste Phosphorform, den austauschbaren oder leicht adsorbierten P, abgeschlossen.
Abbildung 06: Extraktionsmethode (nach Ruttenberg, 1992).
Fe-gebundener P
Zum Restsediment werden 1,125 g Na-dithionit und 45 ml Citrat-Bikarbonat-Lösung (0,30 M Na-citrato plus 1,0 M NaHCO3 bei pH 7,6) (die sogenannte CBD) zugegeben und acht Stunden lang geschüttelt. Danach wird die Probe zentrifugiert, um Sediment und Extrakt zu trennen. Der Extrakt wird für die nachfolgende Analyse aufbewahrt. Nach Zugabe von 50 ml MgCl2 (bei pH 8) wird das Sediment nochmal zwei Stunden lang geschüttelt und erneut zentrifugiert und der Extrakt aufbewahrt. Danach wird das Sediment unter Zugabe von 50 ml H2O zwei Stunden lang geschüttelt und danach zentrifugiert. Der Extrakt wird aufbewahrt. Damit ist das Extraktionsverfahren für die zweite Phosphorform, nämlich Fe gebundenen-P, beendet.
Authigener Apatit + CaCO3 gebundener-P + biogener Apatit
Zum Restsediment werden 50 ml Acetat Puffer (1M Na-acetat mit Essigsäure auf pH 4 eingestellt) zugegeben und acht Stunden lang geschüttelt. Danach wird die Probe zentrifugiert, und der Extrakt für die nachfolgende Analyse aufbewahrt. Wie bei den anderen Phosphorarten auch ist der Extraktionsvorgang nach erneuter zweistündiger Extraktion mit 50 ml MgCl2 und 50 ml H2O abgeschlossen. Damit ist das Extraktionsverfahren für die dritte Phosphorform, nämlich authigenen Apatit + CaCO3 gebundenen-P + biogenen Apatit, vollständig.
Die zweite eingewogene Sedimentfraktion wird mit 50 ml HCl in ein Zentrifugenglas gegeben und 16 Stunden lang geschüttelt, wonach die Probe zentrifugiert und der Extrakt für die nachfolgende Analyse aufbewahrt wird. In diesem Arbeitsschritt wird der anorganische P extrahiert. Detritischer Apatit wird als die Differenz zwischen P aus dieser Fraktion und der Summe der drei vorher analysierten Formen berechnet.
Die dritte gewogene Sedimentfraktion wird in einem Porzellantiegel für eine Stunde bei 550°C ausgeglüht. Nach Erreichen der Raumtemperatur wird die Probe mit 50ml HCl in einem Zentrifugenglas aufgenommen und 16 Stunden lang geschüttelt, danach zentrifugiert und der Extrakt für die nachfolgende Messung aufbewahrt. Damit ist die Extraktion des gesamten P durchgeführt. Die Differenz zwischen P aus dieser und den vorheriger Analysen ergibt den Anteil organischen Phosphors.
Die aufbewahrten Extrakte wurden nach der Methode von Koroleff (1983) auf Phosphor analysiert. Die Phosphorkonzentrationen wurden mit einem Dr. Lange Digital Photometer LP2W gemessen. Die Proben wurden doppelbestimmt, und die vorgestellten Ergebnisse stellen die Mittelwerte zweier Bestimmungen dar.
Kohlenstoff-, Stickstoff- und Karbonatdaten wurden von Jennerjahn & Ittekkot zu Verfügung gestellt (unveröffentlichte Daten).
Die Ergebnisse der einzelnen Messungen wurden statistisch ausgewertet. Für die Bestimmung des Beziehungsgrades zwischen den Variablen wurde die Pearsons lineare Korrelation benutzt. In allen Fällen wurde ein Signifikanzniveau von 95% benutzt.
Die Unterschiede zwischen Schelf- und Mangrovensedimenten wurden durch Students t-Test untersucht. Dieser Test ist die einfachste Methode, um Unterschiede zwischen zwei Gruppen zu bewerten. Für die einzige Variable, die eine normale Verteilung aufweist, nämlich detritischen Apatit, sind die Rohdaten benutzt worden. Alle anderen Variablen wurden zuerst durch eine Logarithmisierung normalisiert.