On the fate of Phytoplankton in the Elbe estuary: examining the community collapse from a Lagrangian perspective

Abstract

This dissertation aims to advance modeling capabilities in estuarine contexts and study phytoplankton community fate in the Elbe estuary. Eutrophication effects cause large upstream looms that collapse in the deep, turbid waters of Hamburg’s port, leading to oxygen depletion and environmental concerns. The prevailing narrative attributes this collapse primarily to zooplankton grazing, but we argue that underlying processes causing the mortality are not sufficiently well understood, necessitating improvements in estuarine ecosystem modeling.

To address this, we have developed a Lagrangian model of the Elbe estuary by extending the Oceantracker modeling framework to provide a new perspective on these problems. Our model offers improved performance, outperforming its closest alternative by over an order of magnitude, while providing a more accurate representation of key physical processes and maintaining flexibility.

Using this model, we challenge the prevailing narrative that phytoplankton collapse is primarily due to grazing pressure. Instead, we propose that collapse may be partly due to aggregation of phytoplankton with inorganic suspended sediment, resulting in sinking aggregates and light-limiting conditions in the highly turbid shipping channel. To test this, we incorporated an aggregation model into OceanTracker and evaluated different mortality mechanisms. Our results suggest that this aggregation process may play a significant role, especially for larger aggregates (50 µm), suggesting that light limitation-induced mortality may be more important than previously thought. This suggests that effective turbidity management in the fairway may be crucial for the maintenance of the phytoplankton community.

Furthermore, our study of phytoplankton retention mechanisms revealed that shallow marshes and mudflats are vital for the survival of the phytoplankton community in the Elbe estuary. These areas allow phytoplankton to persist through periods of stranding and resuspension. We suggest that careful management of these areas is essential for the long-term stability and resilience of the phytoplankton community in the estuary. We strive to bring new impulses, both in the field of Lagrangian modeling in coastal and estuarine environments and in ecosystem management of the Elbe estuary.

Im Laufe der Jahrhunderte haben antropogene Einflüsse das Elbestuar erheblich verändert. Dazu gehören der Bau von Deichen zur Landgewinnung und zum Schutz vor Stürmen sowie das Ausbaggern der Fahrrinne, die sich von der Nordsee bis zum Hamburger Hafen erstreckt. Diese Veränderungen bringen eine Vielzahl von Umweltauswirkungen mit sich, die häufig zu Konflikten zwischen den beteiligten Interessenvertreter führen, wobei die jüngste Vertiefung der Fahrrinne ein aktuelles, kontroverses Beispiel ist. Die Auswirkungen auf das Ökosystem sind oft schwer vorherzusagen und werden nach der Fertigstellung nur selten verifiziert. Wir sind der Meinung, dass Fortschritte bei der Modellierung von Ökosystemen erforderlich sind, um die Auswirkungen von Ökosystemprojekten und des Klimawandels besser zu verstehen und vorherzusagen.

Die Eutrophierung, die durch landwirtschaftliche Abwässer im Einzugsgebiet verursacht wird, führt zu großen Phytoplanktonblüten in den flussaufwärts gelegenen Flüssen. Diese Phytoplanktongemeinschaft bricht jedoch schnell zusammen, wenn sie die tiefen und trüben Gewässer des Hamburger Hafens erreicht. Die daraus resultierende Sauerstoffverarmung, aufgrund der Remineralisierung des abgestorbenen Phytoplanktons, ist ein großes Problem für die Gesundheit des Ästuar-Ökosystems. Die vorherrschende Meinung führt diesen Kollaps in erster Linie auf das Abweiden des Zooplanktons zurück. Wir sind jedoch der Meinung, dass die zugrundeliegenden Prozesse, die die Mortalität verursachen, nicht hinreichend verstanden sind. Das Verständnis dieser Prozesse ist jedoch entscheidend für eine angemessene Bewirtschaftung des Ästuars und unterstreicht die dringende Notwendigkeit, unser Verständnis des Ästuar-Ökosystems und unsere Modellierungsmöglichkeiten zu verbessern.

Um dieses Problem anzugehen, haben wir ein Lagrangesches Modell des Elbe-Ästuars entwickelt, indem wir das Oceantracker-Modell erweitert haben, um eine neue Perspektive auf diese Probleme zu ermöglichen. Unser Modell ist leistungsfähiger und übertrifft seine engste Alternative um mehr als eine Größenordnung, während es gleichzeitig eine genauere Darstellung der wichtigsten physikalischen Prozesse bietet und dabei flexibel bleibt. Mithilfe dieses Modells stellen wir die vorherrschende Meinung in Frage, dass der Kollaps des Phytoplanktons in erster Linie auf Zooplankton zurückzuführen ist. Stattdessen vermuten wir, dass der Kollaps zum Teil auf die Aggregation von Phytoplankton mit anorganischen Schwebstoffen zurückzuführen sein könnte, was zu sinkenden Aggregaten und lichtlimitieren den Bedingungen in der stark getrübten Fahrrinne führt. Um dies zu testen, haben wir ein Aggregationsmodell in OceanTracker integriert und verschiedene Mortalitätsmechanismen bewertet. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser Aggregationsprozess und die von ihnen verursachte Mortalität durch Lichtlimitierung eine bedeutende Rolle spielen kann, insbesondere bei größeren Aggregaten (50 µm). Dies deutet darauf hin, dass ein wirksames Trübungsmanagement in der Fahrrinne für die Erhaltung der Phytoplanktongemeinschaft von entscheidender Bedeutung sein könnte.

Darüber hinaus hat unsere Studie über die Mechanismen der Phytoplanktonrückhaltung gezeigt, dass flache Marsch- und Wattflächen für das Überleben der Phytoplanktongemein- schaft im Elbeästuar von entscheidender Bedeutung sind. Diese Gebiete ermöglichen es dem Phytoplankton, durch regelmäßiges stranden und resuspendieren zu überleben. Wir vermu- ten, dass eine sorgfältiges Managment dieser Gebiete für eine langfristige Stabilität und Widerstandsfähigkeit der Phytoplanktongemeinschaft im Ästuar unerlässlich ist. Mit dieser Arbeit möchten wir neue Impulse, sowohl auf dem Gebiet der Lagrange’schen Modellierung von Küsten- und Ästuarumgebungen als auch für das Ökosystemmanagement des Elbästuars setzten.