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Zeitliche und räumliche Ausdehnung von hypoxischem und schwefelwasserstoffhaltigem Bodenwasser in der Kieler Bucht
im Verbundvorhaben PrimePrevention der Dritten DAM Mission mareXtreme
Ursache und Auftrieb schwefelwasserstoffhaltiger Bodenwässer.
Das Projekt Zeitliche und räumliche Ausdehnung von hypoxischem und schwefelwasserstoffhaltigem Bodenwasser in der Kieler Bucht ist Teil des Verbundvorhaben PrimePrevention der Dritten DAM Forschungsmission mareXtreme. Das übergeordnete Ziel des Verbundprojekts PrimePrevention ist es eine koordinierte Strategie der Küstenländer zu entwickeln, um den gesellschaftlichen Herausforderungen des Klimawandels entgegenzuwirken. Im Fokus stehen hierbei die erwartete Zunahme klimabedingter mariner Naturgefahren, wie z.B. schädliche Mikroorganismen und Hypoxie (sauerstoffarmes Wasser).
Die Ausbreitung von sauerstoffarmen Gewässern ist ein weltweit beobachtetes Phänomen, das auch das östliche Schleswig-Holstein betrifft. In der Kieler Bucht können im Spätsommer hypoxische Ereignisse beobachtet werden, bei denen teilweise toxisches schwefelwasserstoffhaltiges Tiefenwasser an die Oberfläche transportiert wird. Diese Auftriebsereignisse verursachen massenhaftes Sterben von Fischen, deren Kadaver dann an den Badestränden der Region angeschwemmt werden. Dies stellt sowohl für die allgemeine Gesundheit des Küstenökosystems aber auch für den Bade- und Erholungstourismus sowie Fischfarmen ein Problem dar. Aufgrund des Klimawandels dürften diese hypoxischen Ereignisse in Zukunft vermehrt auftreten. Hier greift das Teilvorhaben „Entwicklung eines intelligenten Ozeanbeobachtungssystems zur Erkennung mariner biologischer Gefahren in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen: Zeitliche und räumliche Ausdehnung von hypoxischem und schwefelwasserstoffhaltigem Bodenwasser in der Kieler Bucht“ (Aufgabe 2.3.2). Übergeordnetes Ziel des Teilprojekts ist es eine Wahrscheinlichkeitskarte schwefelwasserstoffhaltiger Auftriebsereignisse zu erstellen. So werden die betroffenen Regionen identifiziert und es kann eine Risikoabschätzung dieser biologischen Gefahr für Stakeholder abgegeben werden. Zudem sollen die Faktoren, die zur Entstehung und zum Auftrieb von letztlich schwefelwasserstoffhaltigem Bodenwasser führen, untersucht werden.
Sedimentkerne aus dem Frühjahr (A) und direkt nach der Hypoxie-Phase (B). Die Sedimente aus dem Frühjahr spiegeln die gute Belüftung des Tiefenwassers mit Sauerstoff wieder, so dass Sauerstoff noch in die obere Sedimentschicht eindringen kann. Nach der Hypoxie-Phase sind die Sedimente sauerstofffrei und schwefelwasserstoffhaltig.
Das Teilvorhaben soll vier Hypothesen testen:
- Die Menge des angelieferten organischen Materials (OM) bestimmt die biologische Sulfidproduktion (OM-Abbau gekoppelt an Sulfatreduktion) im Sediment.
- Das Auftreten von Schwefelwasserstoff im Bodenwasser wird durch die Balance aus Sulfidbildung (durch Sulfatreduktion) und Sulfidfällung (als Eisensulfid, Pyrit) im Sediment sowie Sulfidabbau an der Sediment-Wassergrenzfläche (mikrobielle Oxidation mit Nitrat oder Sauerstoff) kontrolliert
- Die Verweilzeit des Bodenwassers bestimmt das Ausmaß der Sauerstoff- und Nitratverarmung (bedingt durch mikrobielle Atmung) und damit die Oxidation des im Sediment produzierten Schwefelwasserstoffs.
- Die Wassertiefe der Gebiete mit sulfidischem Bodenwasser und ihre räumliche Lage bestimmen ob und wann hypoxische bzw. sulfidische Bodenwässer Auftrieb erfahren.
Eine integrierte Auswertung aller bereits existierender und neu erhobener Datensätze mithilfe numerischer Modelle erfolgt zusammen mit dem AP3. Anschließend erfolgt im Verbund eine übergreifende Synthese mit empfohlenen Handlungsaktivitäten für die Gesellschaft und insbesondere für die als betroffen identifizierten Stakeholder (AP1; AP4).
In dem mikrobiologischen Teil des AP sollen die Wechselwirkungen zwischen den Mikroorganismen und den Umweltbedingungen näher untersucht werden. Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) produzieren bei Abbau von organischem Material Schwefelwasserstoff, der sich im Sediment anreichern kann. Dieser kann im Sediment unter sauerstofffreien Bedingungen abiotisch zu Eisensulfid ausfallen. Bei Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren wie Sauerstoff und Nitrat im Bodenwasser können schwefelwasserstoffoxidierende Bakterien (SOB) den biologisch produzierten Schwefelwasserstoff wieder verbrauchen. Wenn allerdings sauerstofffreie Bedingungen im Bodenwasser vorherrschen kann der SOB-Filter das Austreten des Schwefelwasserstoffs in die Wassersäule nicht mehr verhindern und der Schwefelwasserstoff tritt in das Bodenwasser.
Durchlichtmikroskopie einer Anreicherung für Schwefelwasserstoffoxidierende Bakterien (exemplarisch in gelb markiert) ©Geomikrobiologie, GEOMAR.
Hypoxie-Team
Geomikrobiologie (GEOMAR)
Prof. Dr. Mirjam Perner
Matthias Thiele (Promovierender im Projekt)
Dr. Nicole Adam-Beyer
Dr. Stefanie Böhnke-Brandt
Dr. Katja Laufer-Meiser
Biogeochemie und numerische Modellierung (Universität Hamburg und GEOMAR)
Prof. Dr. Florian Scholz (Universität Hamburg)
Timo Spiegel (im Projekt) (Universität Hamburg)
PD Dr. Mark Schmidt (GEOMAR)
Dr. Andrew Dale (GEOMAR)
Bewilligte Schiffsausfahrten in die Kieler Bucht Region
Die Felddatensätze werden für die Wassersäule und Sedimente der Kieler Bucht mittels verschiedener Schiffsausfahrten erhoben.
- September 2024 FK Littorina (Fahrtleitung Mirjam Perner, Fahrtleitung Mark Schmidt)
- September 2025 (Fahrtleitung Mirjam Perner, Florian Scholz & Timo Spiegel)
Publikationen zu dem Thema
Perner, M. , Wallmann, K. , Adam-Beyer, N., Hepach, H. , Laufer-Meiser, K., Böhnke, S., Diercks, I., Bange, H. W. , Indenbirken, D., Nikeleit, V., Bryce, C., Kappler, A., Engel, A. und Scholz, F. (2022) Environmental changes affect the microbial release of hydrogen sulfide and methane from sediments at Boknis Eck (SW Baltic Sea). Frontiers in Microbiology, 13. Art.Nr. 1096062. DOI 10.3389/fmicb.2022.1096062.
Outreach
ZDF Nano-Spezial 29.02.2024. Vermüllt, versauert, verschwitzt – Ökosystem Meer im Wandel
@MPernerLab
Leiterin der Forschungsgruppe:
GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
Standort Ostufer
Wischhofstraße 1-3
D-24148 Kiel
Tel.: 0431 600-2837
Fax: 0431 600-2941
e-mail: mperner(at)geomar.deTeamassistenz:
Marion Liebetrau
Tel.: +49 431 600-2847
Fax: +49 431 600-2941
E-Mail: mliebetrau(at)geomar.deMärz 2021 <<< Dr. Katja Laufer hat Ihr neues Paper zur Signifikanz des Eisenzyklus in Arktischen Fjorden und potentiellen Konsequenzen des Gletscherrückgangs in Nature Communications veröffentlicht>>>
März 2021 <<<Unser neues Projekt MICROMUD wurde gestartet. Wir freuen uns auf spannende Forschung in einem großartigen Konsortium (Koordinatorin: Julia Gebert, TUDelft )>>>
Dezember 2020 <<<Dr. Nicole Adam erhält den Prof. Dr. Werner Petersen-Preis 2020 für herausragende Doktorarbeiten am GEOMAR>>>
!!! Bachelore- und Masterarbeiten !!!
In unserer Arbeitsgruppe gibt es zahlreiche spannende Projekte die Fragestellungen hervorbringungen die auch im Rahmen von Bachelore- und Masterarbeiten erforscht werden können. Sprich uns gern an und finde mit uns gemeinsam ein passendes Thema für deine Abschlussarbeit!
