A trace metal perspective on biogeochemical processes in the North Sea

Abstract

Küstenmeere wie die Nordsee sind verschiedensten anthropogenen Stressoren von Land, Meer und der Atmosphäre ausgesetzt. Gleichzeitig sind die Küstenmeere aber auch ein wichtiger Kohlenstoffspeicher, insbesondere im Kampf gegen den Klimawandel. Da künstliche Verfahren zum Entziehen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre das Risiko negativer Nebeneffekte und potenzieller zusätzlicher Verunreinigungen der Umwelt bergen können, wird innerhalb des Projektes CARBOSTORE die Verwundbarkeit und das Potenzial natürlicher Kohlenstoffspeicherprozesse in den deutschen Schelfmeeren untersucht. Im Rahmen von CARBOSTORE konzentriert sich diese Doktorarbeit auf die Untersuchung der Wechselwirkung von Spurenmetallen und Nährstoffen mit den biogeochemischen Prozessen der Kohlenstofffixierung und Remineralisierung. Spurenmetalle spielen eine wichtige Rolle als Mikronährstoffe bei der Remineralisierung, Fixierung und langfristigen Speicherung von Kohlenstoff im Meer. Insbesondere in Küstenregionen können hohe anthropogene Einträge allerdings auch einen negativen Effekt auf die biogeochemischen Prozesse haben. Die Nordsee ist ein Schelfmeer mit dicht besiedelter Küste und wird durch den Eintrag von Spurenmetallen und Nährstoffen über Flüsse und Atmosphäre, sowie durch direkte anthropogene Eingriffe (z. B. Offshore-Plattformen, Schifffahrt, Fischerei) beeinflusst. Durch die vorwiegend zyklonische Strömung in der Nordsee sammeln sich die Schwebstoffe und (anthropogenen) Kontaminanten aus der gesamten Nordsee im Skagerrak zwischen Norwegen und Dänemark. Als tiefster Teil der Nordsee dient der Skagerrak als Archiv für organischen Kohlenstoff und anthropogene Schadstoffe. Künftige Änderungen der Zirkulationsmuster und Nährstoffeinträge könnten jedoch die Redoxbedingungen in den Sedimenten beeinflussen und damit auch das Speicherpotenzial der Skagerrak-Sedimente für Kohlenstoff und assoziierte Kontaminanten verändern. Um diese Prozesse abzuschätzen, ist eine detaillierte Untersuchung der Quellen und Senken von Spurenmetallen, sowie ihrer Wechselwirkungen mit Nährstoffen und Reaktion auf veränderte Randbedingungen erforderlich, die allerdings zuverlässige analytische Methoden erfordert. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Wasserproben aus der gesamten Nordsee auf gelöste Spurenmetalle und Nährstoffe untersucht. Um die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Daten zu gewährleisten wurden zuvor zwei Filtrationsmethoden verglichen und die Effekte der gekühlten und gefrorenen Probenlagerung systematisch untersucht. Die entwickelte Filtrationsmethode wurde dann auf die Wasserproben aus der Nordsee angewandt. Die erhaltenen Spurenmetall- und Nährstoffkonzentrationen wurden verwendet, um Senken, Quellen und ähnliches Verhalten der Analyten innerhalb der Nordsee zu identifizieren. Mit Hilfe statistischer Methoden wurden die Analyten Flusseinträgen, konservativem oder nährstoff-ähnlichem Verhalten zugeordnet. Außerdem ergaben die Daten, dass die Kontamination der Nordsee durch Gadolinium aus MRT-Kontrastmitteln zunimmt. Dies zeigt, dass gründliche Untersuchungen des Verhaltens und Verbleibs dieses und ähnlicher neu auftretender Schadstoffe nötig sind. Zur Untersuchung der biogeochemischen Prozesse im Sediment wurden an drei Stellen im Skagerrak zusätzlich Sedimentkerne und Porenwasserproben genommen und die Spurenmetallkonzentrationen, sowie δ98/95Mo-Isotopenverhältnisse gemessen. Die Daten zeigten eine heterogene Verteilung von Redoxbedingungen und Kontaminanten innerhalb des Skagerraks. Obwohl die Metalle zwar wahrscheinlich aus anthropogenen Quellen stammten, akkumulierten sie abhängig von den Redoxbedingungen im Sediment. Aerobe und anaerobe Inkubationen der Skagerrak-Sedimente über einen Zeitraum von bis zu einem Jahr deuteten darauf hin, dass durch Veränderungen des Sauerstoffgehalts im Bodenwasser die im Sediment gebundenen Spurenmetalle remobilisiert werden. Darüber hinaus wurde eine starke δ98/95Mo-Fraktionierung in den anaeroben Wasserproben nachgewiesen, und die Inkubationen deuteten darauf hin, dass unter anaeroben Bedingungen Mangan-Reduktion in den Sedimenten von Eisen- und Sulfatreduktion abgelöst wird, selbst wenn noch ausreichend Mangan im Sediment verfügbar ist. Im Rahmen von CARBOSTORE liefert diese Doktorarbeit die hochaufgelösten Spurenmetall- und Nährstoffdaten, die zur Modellierung von Kohlenstoffspeicherprozessen in der Nordsee nötig sind. Das Inkubationsexperiment hat gezeigt, wie die biogeochemischen Prozesse im Sediment auf Störungen, die im Zuge des Klimawandels zu erwarten sind, reagieren. Zusätzlich zur Nutzung in CARBOSTORE dient diese Arbeit als wichtiger Referenzpunkt für zukünftige Studien und wird helfen, Kontaminationen durch künstliche Kohlenstoffspeichermethoden abschätzen zu können.