Role of nitrification, denitrification, and nitrous oxide (N2O) production in aquatic nitrogen cycling

Abstract

The increase of reactive nitrogen due to anthropogenic nutrient inputs is a widespread problem in the aquatic environment which can lead to significant alterations of the nitrogen cycle and thus to a general increase in eutrophication. Processes of N-turnover, such as nitrification and denitrification, can be influenced by an increased level of reactive nitrogen and contribute to an intensified production of the climate-relevant greenhouse gas N2O (nitrous oxide). This thesis demonstrates human-driven accelerations of the nitrogen cycle and their effect on water column reactive N internal processing and on N2O production. In a small river, it is demonstrated that even an intensification of internal N-turnover processes cannot counteract additional nutrient inputs. Furthermore, by using high-resolution measurements of N2O, it is shown that such enhancement of nitrification and denitrification contributes to substantial N2O production and resulting emissions. The first part of this thesis (chapter 2) describes the influences of an anthropogenic gradient on internal nutrient cycling processes, i.e. nitrate production and consumption, in a small river. It is shown that contribution of nitrate due to nitrification decreases with increasing eutrophication, although sedimentary nitrate production is enhanced and contributes to nitrate concentration in the river. Similarly, additional nutrient increase leads to an increased nitrate consumption rate in the river sediment, regardless of seasonality. Although nitrate removal always exceeded internal nitrate production, the filter capacity of the sediment is limited and overwhelmed by surplus N inputs. Besides their impact on the water column nitrate inventory (or the lack thereof), nitrification and denitrification are significant sources of nitrous oxide (N2O). Both processes have been investigated individually in the Elbe estuary, but their integrated effect on N2O concentration in the contemporary estuary is unclear. By using transect measurements, the Hamburg port region was identified as a hot-spot of biological N2O production, as demonstrated in chapter 3. This is mainly due to nitrification, but also denitrification can contribute to additional N2O in the area of lowest measured oxygen values. Relating to the entire Elbe estuary freshwater area, and contrary to measurements in the late 80s, internal N2O processes appear to have changed from denitrification to nitrification as the main N2O contributing source. It is notable, that N2O saturation did not decrease since the middle of the 90s, even though a continuous nutrient decrease occurred since the late 80s. Since the port of Hamburg was identified as the area with highest N2O production, N2O dynamics in this area are examined in chapter 4 by stationary measurements in a tide controlled context. Stationary measurements showed an increase of N2O concentration with ebb tides and, as already concluded from transect measurements, N2O production in this low oxygen area is mainly attributed to in-situ production, i.e. by means of nitrification and denitrification. An increased remineralization and abiotic factors, such as a decrease in oxygen concentration and a lower discharge can further lead to an intensified internal N2O production by fueling nitrogen turnover processes. In addition, a small contribution of allochthonous N2O can be allocated to N2O derived from harbor basins and/or riparian zones and thus is a minor N2O source. The research conducted within the present thesis confirms the port of Hamburg as a hot-spot of biological N2O production and as a constant net source of N2O emissions to the atmosphere.

Der Anstieg von reaktivem Stickstoff durch anthropogene Nährstoffeinträge in aquatischen Ökosystemen ist ein weitverbreitetes Problem, welches zu erheblichen Veränderungen innerhalb des Stickstoffkreislaufes führen kann und damit zu einer allgemeinen Zunahme der Eutrophierung in Gewässern. Stickstoffumsetzende Prozesse wie Nitrifizierung und Denitrifizierung können durch zunehmende Einträge reaktiven Stickstoffs nicht nur verstärkt werden, sondern tragen auch zu einer Intensivierung der Produktion des klimarelevanten Treibhausgases N2O (Distickstoffmonoxid) bei. In dieser Dissertation werden die Auswirkungen der durch den Menschen verursachten Veränderung des Stickstoffkreislaufes auf den reaktiven Stickstoff in der Wassersäule, auf die verschiedenen N2O bildenden Prozesse Nitrifizierung und Denitrifizierung, sowie auf N2O selbst untersucht. Die folgende Arbeit zeigt am Beispiel eines kleinen Flusses unter Zuhilfenahme von Nitratisotopensignaturen, dass selbst eine Intensivierung der stickstoffumwandelnden Prozesse dem zunehmenden Nährstoffeintrag nicht entgegen wirken kann. Des Weiteren wird mittels hochauflösender N2O-Messungen im Elbeästuar aufgeführt, dass diese Intensivierung von Nitrifizierung und Denitrifizierung einen erheblichen Beitrag zur N2O-Produktion und den daraus resultierenden Emissionen leistet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit (Kapitel 2) wird untersucht, wie sich ein zunehmender Gradient an stickstoffeintragenden, anthropogenen Einflüssen auf die internen nährstoffumsetzenden Prozesse, sprich Nitrataufbau und -abbau, in einem kleinen Fluss auswirkt. Hierbei zeigt sich, dass der interne Nitrataufbau mittels Nitrifizierung mit steigendem anthropogenem Nitrateintrag nur noch eine untergeordnete Rolle spielt, wenn gleich sich auch die interne Nitratproduktion erhöht. Ebenso führt der erhöhte Nährstoffeintrag, unabhängig von der Jahreszeit, zu einem verstärkten Nitratabbau im Flusssediment. Allerdings ist der anfänglich proportionale Anstieg des Nitratabbaus mit steigendem Stickstoffeintrag begrenzt und kann daher dem externen Nitrateintrag nicht entgegenwirken. Nebst ihrer Wirkung auf die reaktive Stickstoffbilanz (oder deren Fehlen auf diese) setzen beide Prozesse, Nitrifizierung und Denitrifizierung, auch signifikante Mengen an N2O frei. Diese Prozesse wurden bereits individuell im Elbeästuar untersucht, aber ihr ganzheitlicher Effekt auf die N2O-Produktion im gegenwärtigen Ästuar ist unklar. Im Rahmen von Transektmessungen konnte die Hamburger Hafenregion als Abschnitt mit der höchsten N2O-Produktion identifiziert werden, wie in Kapitel 3 gezeigt wird. Hier spielt vor allem die Entstehung des N2O durch Nitrifizierung eine tragende Rolle, aber im sauerstoffärmsten Bereich des Hafens trägt auch Denitrifizierung einen Teil zur N2O-Konzentration bei. Betrachtet man den gesamten Frischwasserbereich im Elbeästuar, gibt es allerdings im Vergleich zu N2O Messungen der 80er-Jahre einen Wandel von Denitrifizierung zu Nitrifizierung als Hauptquelle. Auffallend ist, dass seit Ende der 80er-Jahre ein stetiger Nährstoffrückgang im Elbeästuar verzeichnet wird, die gemessene N2O-Sättigung aber im Vergleich zu Messungen Mitte der 90er-Jahre keinen Rückgang der Werte zeigt. Da der Hamburger Hafen als eine Region mit der höchsten N2O-Produktion identifiziert werden konnte, wurden in Kapitel 4 N2O-Dynamiken im Gezeitenverlauf untersucht. Stationäre N2O-Messungen im Hamburger Hafen zeigen mit Rückgang des Hochwassers eine allgemeine Zunahme der N2O-Konzentration und, wie bereits in den Transektmessungen aufgezeigt, basiert diese N2O-Produktion in dieser sauerstoffarmen Region überwiegend auf Insitu-Produktion, sprich eine N2O-Produktion durch Nitrifizierung und Denitrifizierung. Abiotische Einflüsse, wie eine erhöhte Remineralisierung, eine allgemeine Abnahme der Sauerstoffkonzentration und ein geringerer Abfluss, können hierbei die interne N2O-Produktion intensivieren indem sie den Stickstoffumsatz fördern. Zusätzlich konnte ein geringerer Eintrag von allochthonem N2O aus den angrenzenden Hafenbecken und/oder Uferzonen aufgezeigt werden und ist daher als kleinere N2O-Quelle zu berücksichtigen. Diese Untersuchungen bestätigen eine sehr hohe N2O-Produktion durch biologische Prozesse im Hamburger Hafen, was diese Region als konstante Quelle für N2O-Emissionen charakterisiert.