Küstensande als biokatalytische Filter

Ein EU-gefördertesForschungsprojektan der Nord- undOstseeküste

Inhalt COSA – das Konzept1 Einleitung

COSA - das Konzept - die Ziele

3 MPI – Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie- Wissenschaftlicher Hintergrund des EU-Projekts COSA- Advektive Austauschprozesse zwischen Sediment und Wasser

5 IOPAS – Institut für Ozeanographie der Polnischen Akademieder Wissenschaften in Sopot

- Die Rolle der benthischen Flora und Fauna bei Transport- prozessen und biogeochemischen Reaktionen in den marinen Küstensanden

- Wie aktiv sind die sublitoralen Sande der Ostsee in den verschiedenen Jahreszeiten?

7 NPK – Nadmorski Park Krajobrazowy, Küstenlandschaftsparkin Wladyslawowo an der polnischen Ostseeküste

- Wie das Interesse der einheimischen Öffentlichkeit und der Touristen geweckt wurde. Wissenschaft und Naturschutz

9 NPO – Nationalpark Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer in Tönning

- Anwendung der COSA-Ergebnisse auf Strategien des Küstenzonenmanagements

- Nutzung wissenschaftlicher Ergebnisse für das internationale Wattenmeer-Management

11 AWI – Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeres-forschung, Wattenmeerstation Sylt

- Kopplung der Prozesse in Nordseewasser und sublitoralen Sandsedimenten

- Der Vergleich von Wasser und Sedimenten der Nord- und Ostsee

13 NIOO – KNAW – Niederländisches Ökologisches Institut, Zentrum für Ästuar- und Küstenökologie in Yerseke

- Die Modellierung des Transports und der Verteilung gelöster Stoffe durch benthische Invertebraten (im Sediment lebende wirbellose Tiere)

- Übertragung von Modellergebnissen auf das Küsten-management

15 MBL – Marines Biologisches Laboratorium der Universität Kopenhagen in Helsingør

- Hochauflösende Messungen vor Ort geben Einblick in die Dynamik biogeochemischer Prozesse im Sediment

17 Glossar

Das internationaleCOSA-Forschungs-team an der polni-schen Ostseeküste

Ein europäisches Forschungsprojektprojekt,das die Funktion von Küstensanden (COastalSAnds) als biokatalytische Filter untersuchtDurchlässige sandige Sedimente sind typisch für die flachenKüstenzonen der Nord- und Ostsee, sie finden sich auch in an-deren flachen Küstengebieten der Welt.Wellen und bodennaheStrömungen drücken Wasser durch die oberen Sandschichten.Dabei transportieren sie gelöste Stoffe wie Sauerstoff und Nähr-stoffe und auch kleine Partikel wie Planktonalgen und Bakteriendurch das Sediment. Diese Filtration beeinflusst die Qualität desWassers wie auch die Biogeochemie des Sediments. Nährstoffegelangen dabei zu den im Sand lebenden Kleinstlebewesen undzu großen Bodenbewohnern. Obwohl man wusste, dass dieserFiltrationsprozess sehr wichtig für Küsten-Ökosysteme seinmuss, gab es bisher keine quantitativen Messungen. Unklar warauch, wie stark diese Filtration den Umsatz der sedimentärenorganischen Stoffe beeinflusst. Es fehlten quantitative wissen-schaftliche Daten. Diese Erkenntnisse führten zum Entwurf desEU-Projektes COSA. Dank finanzieller Unterstützung durch dieEuropäische Union wurde es möglich, diese zentralen ökologi-schen Informationen zu sammeln und sich intensiv mit „COastalSAnds“, den Küstensanden in ihrer Funktion als biokatalytischeFiltern zu beschäftigen.

Im Rahmen dieses internationalen Projekts konzentrierten sichWissenschaftler aus Polen, Dänemark, den Niederlanden undDeutschland auf zwei Feldstationen: auf der polnischen Halb-insel Hel in der südlichen Ostsee und an der deutschen Nord-seeküste Deutschlands bei List auf Sylt. Zu den Versuchen ge-hörten Zeitreihen-Messungen der biogeochemischen und biolo-gischen Parametern am Meeresboden sowie experimentelle Un-tersuchungen im Labor, mit denen die Wissenschaftler den bio-katalytischen Filtrationsprozess erforschten. Ergebnisse dieserUntersuchungen gingen direkt an ein polnisches Landschafts-und ein deutsches Nationalparkamt, die beide an diesem Projektteilnahmen. Damit gelang es mit COSA, die Überwachung undden Schutz der Küstengebiete zu verbessern und durch intensi-ve Öffentlichkeitsarbeit die Bevölkerung über die Probleme die-ser Ökosysteme zu informieren.

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Die Wissenschaftler im EU-Projekt COSA hatten sich zum Zielgesetzt, die Funktionsweise von Küstensanden als biokatalyti-sche Filtersysteme zu verstehen und die umweltverträglicheNutzung des flachen Meeresgrundes in Küstennähe zu fördern,indem sie

• den sedimentären Filtrationsprozess und den damit verbun-denen Umsatz von organischen Stoffen bestimmen.

• die biogeochemischen Prozesse in Küstensanden beschreiben sowie Reaktionsraten messen.

• ein Transport-Reaktionsmodell über den von Meeresboden-strömungen und benthischen wirbellosen Tieren hervorge-rufenen Porenwasseraustausch entwickeln.

• Möglichkeiten schaffen, den Austausch von Wissen und Technologie zu erleichtern.

• dafür sorgen, dass die wissenschaftlichen Ergebnisse der Studie in den Plänen der Küstenverwaltungen berücksichtigt werden.

• die Öffentlichkeit und Politiker umfassend über die ökologi-sche Rolle der Sandfilter vor ihren Küsten informieren und zum Handeln anregen.

Zwischen November 2002 und Oktober2005 untersuchte dasmultidisziplinäre Wis-senschaftlerteam aufbeiden Feldstationendie Sandsedimenteund die darüber lie-genden Wassersäulen.Dabei setzten dieForscher ein weitgefächertes Spektruman biogeochemi-schen, biologischenund oder physikali-

schen Messungen ein. Um die Öffentlichkeit über den Fort-schritt zu informieren, organisierten die beiden polnischen unddeutschen Naturparkämter ein umfassendes Informationspro-gramm. Zu den teilnehmenden Institutionen gehörten das Insti-tut für Ozeanographie der polnischen Akademie der Wissen-schaften (IOPAS), das Niederländische Institut für Ökologie(NIOO), das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresfor-schung (AWI), das meeresbiologische Labor der Universität vonKopenhagen (MBL), der Landschaftspark Nadmorski ParkKrajobrazowy (NPK), der Nationalpark Schleswig-HolsteinischesWattenmeer in Tönning (NPO) und das Max-Planck-Institut fürmarine Mikrobiologie in Bremen (MPI).

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COSA - die Ziele

Ein Sandkorn unterdem Elektronen-

mikroskop: In dem„Tal“ links sind circa

0.01mm lange winzigeAlgen (Diatomeen) zusehen. Die kleinerenweißen Gebilde sindBakterien, die klebri-

ges Material ausschei-den, um sich an der

Oberfläche des Sand-korns festzuhalten.

Das Max-Planck-Institut fürmarine Mikrobiologie (MPI)Wissenschaftlicher Hintergrund des EU-Projekts COSA Hunderttausende von unterschiedlichen Mikroorganismen, da-runter kleine wirbellose Tiere, winzige Algen, Einzeller, Bakte-rien,Archaeen und Viren leben zwischen und auf den minerali-schen Körnern, die im Meer das sandige Sediment der Küstenund Festlandssockel bilden. Die faszinierende Vielfalt auf kleins-ter Skala hat bereits die Aufmerksamkeit zahlreicher Wissen-schaftler auf sich gezogen. Eine realistische quantitative Unter-suchung ihres Stoffwechsels, des Umsatzesvon organischen Bestandteilen und derNährstoff-Remobilisierung gab es bishernicht, da diese Prozesse auf komplizierteWeise an die Strömungen am Meeresbo-den gebunden sind. Die von Wellen undStrömungen angetriebenen Wasserbewe-gungen versorgen das Nahrungsnetz inden Sandbetten und transportieren meta-bolische Produkte (z. B. Nährstoffe, CO2)aus dem Sediment und in die Wassersäulehinein. Erste Untersuchungen von Sedi-menten im Labor ohne den Einfluss vonWellen und Bodenströmungen ergabenResultate, die man jedoch nicht ohne Weiteres auf die Naturübertragen konnte. Es gab lange Zeit keine brauchbaren Metho-den, mit denen die Prozesse im Sand sowie der Austausch zwi-schen Sediment und Wasser untersuchen werden konnten.Erste Laborexperimente in Strömungskanälen und Wellentanksim MPI demonstrierten die dramatischen Effekte der von Strö-mungen und Wellen hervorgerufenen Druckgradienten auf dieBewegung des Porenwassers sowie den Austausch zwischendurchlässigen Sanden und der darüber liegenden Wassersäule.Kleinste Druckunterschiede entsprechend dem Druck einigerMillimeter Wassersäule können bereits Wasser durch die Po-ren des Sandes pressen. Durch die Entwicklung speziellerInstrumente mit sehr empfindlichen Sensoren und neuarti-ger wissenschaftlicher Geräte, die natürliche Druckgradien-ten simulieren, ist es nun möglich, die Verhältnisse auf demnatürlichen sandigen Meeresboden zu beobachten.Die COSA-Wissenschaftler benutzten diese Instrumente, uman den beiden Feldstationen die dynamischen Prozesse imdurchlässigen Sand zu erforschen.

Die langen nadelförmigen Sensoren messen die Fließgeschwindigkeit des

Porenwassers im Sediment.

Das Messinstrument„Lance-A-Lot“ karto-graphiert Strukturender Sedimentober-fläche wie Rippeln,Kuppeln und Mulden),indem es die Verfor-mung einer auf denBoden projeziertenLaserlinie mit einerdigitalen Kameradokumentiert.

Die Rolle der benthischen Flora und Fauna bei Transport und Reaktion der marinenKüstensandeFlache sandige Meeressedi-mente, die nur aus Mineral-körnern zu bestehen schei-nen, enthalten eine mikro-skopisch kleine Gemein-schaft von bodenlebendenOrganismen (Meiofauna),die in ihrer Vielfalt mitjedem Ökosystem der Erdekonkurrieren können.Jedes einzelne Individuumdieser Sedimentgemeindebeeinflusst die Verarbei-tung organischer Stoffe imSediment und erhöhtdabei die biokatalytischeFilterkapazität der durch-lässigen Sande. Die Spezi-alisten für Meiofauna undFlora vom Institut fürOzeanographie in Polencharakterisierten für COSAdiese Lebensgemeinschaftim Sand.Winzige Krebs-tiere, Nematoden undGeißeltierchen ernährensich von den kleinen orga-nischen Teilchen und Bak-terien und sind deshalbwichtige Verbindungsglie-der in den Kreisläufen derNährstoffe des Schelfs.

Austauschprozesse zwischen Sediment und Wasser (Advektion)Mit druckkalibrierten Rührkammern konnten die Wissenschaft-ler vom MPI den Austausch von Feststoffen im Sedimentwasserim Rahmen der natürlich existierenden unterschiedlichenDruckverhältnisse bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass dieAustauschgeschwindigkeit (Flux) gelöster Stoffe, der Sauerstoff-verbrauch und die CO2-Produktion ansteigen, je mehr Wasserdurch das Sediment filtriert wird. Mit diesen Kammerversuchenwurde deutlich, wie stark der Einfluss der Mikroalgen im fla-chen Küstensand auf die Sauerstoffdynamik des Meeresbodensist. Bei Tag fanden sie in der oberen Sandschicht sehr hoheSauerstoffkonzentrationen (mehrfache Übersättigung), und beiNacht stark verringerte Werte (sauerstoffarme Bedingungen).Mit Lance-A-Lot, einem Instrument, das speziell für das COSA-Projekt entwickelt wurde, konnten sie gleichzeitig die Topogra-phie der Sandoberfläche und der darunter liegende Porenwas-serfluss untersuchen. Diese Daten ermöglichten es den Meeres-forschern, die Zusammenhänge zwischen der Beschaffenheitder Sandoberfläche und des Porenwasserflusses darunter zuerklären. Sie entwickelten ein zweidimensionales Transport-Reaktionsmodell, um die Beziehungen zwischen Bodenströmun-gen,Topographie, Porenwassertransport und biogeochemischenReaktionen im Sediment vorherzusagen.

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IOPAS - Institut fürOzeanographie der polnischenAkademie der Wissenschaften

Fadenwürmer (Nematoden),Strudelwürmer (Turbellarien),Ringelwürmer (Oligochaeten)und in Hel auch Gastrotricha

bevölkern die kleinen Zwi-schenräume der Sandkörner

in Nord- und Ostsee.

COSA-Wissenschaftler kehren mit Proben zurück, die bei der Feldstation inca. 1m Wassertiefe genommen wurden.

Im Inneren einer besonderenRührkammer (Ø ca. 20 cm) aufdem Sediment messen die For-scher den zeitlichen Verlaufder Sauerstoffkonzentration.Die Drehung der durchsichti-gen Rührscheibe erzeugt einenDruckgradienten, der einen Porenwasserfluss im einge-schlossenen Sediment bewirkt.Gasförmiger Sauerstoff steigtin Blasen von winzigen benthi-schen Algen auf.

Gastrotricha

Turbellaria

Nematoda

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Wie aktiv sind die sublitoralen Sande derOstsee zu verschiedenen Jahreszeiten?Da es das Ziel von COSA war, die Effektivität des sedimentärenFiltrationsprozesses zu untersuchen, wurden die jahreszeitli-chen Zyklen von Produktion und Abbau organischen Materialsan beiden Feldstationen verglichen. In den Sommermonatenwaren die Sande bei Hel in der Ostsee biologisch weniger aktivals diejenigen bei Sylt in der Nordsee. Ursache dafür könnte diegeringere Nährstoffkonzentration in der Ostsee sein. Die Nut-zung eines neuen Geräts, mit dem die Stärke und Dauer derWasserwellen aufgenommen werden konnte, half neben weite-ren Messungen dabei, die hydrodynamischen Einflüsse auf diebiogeochemische Kopplung zwischen Wassersäule und Sedi-ment zu verstehen.Um die benthische Primärproduktion genauer zu untersuchen,etablierte IOPAS eine Datenbank, um die Daten aller Kieselalgen(Diatomeen) der Feldstationen zu dokumentieren. Diese Daten-bank (http://www.iopan.gda.pl/~wiktor/cosa/index.html) ist imInternet öffentlich zugänglich und bietet neben Informationenauch Bilder der Diatomeen.Wissenschaftler vom IOPAS verfolg-ten weiterhin mit Zeitserien-Messungen an der Ostseestationdie natürlichen jahreszeitlich bedingten Variationen der Trans-port- und Reaktionsraten im Sand.

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Die 22-130 µm langeDiatomee Navicula pal-pebralis kommt auf Helund Sylt vor. Diese weitverbreitete Art lebt insandigen Sedimenten und verträgt Salz- undBrackwasser.

Diese Abbildung zeigt die Verteilung des Porenwasserdrucksin der oberen Schicht eines durchlässigen Meeresbodensedi-ments, wie es von sich ausbreitenden Oberflächenwellen her-vorgerufen wird. Verschiedene Farben stellen die Stärke desPorenwasserdrucks dar. Die Pfeile zeigen die Richtungen dersofort entstehenden Wasserbewegung an.

Die Wissenschaftler vom IOPAS verglichen die Sandbewohnerbeider Feldstationen und entdeckten an beiden die gleichenGruppen von Lebewesen, jedoch deutlich mehr Individuen inder nährstoffreicheren Nordsee. Erstaunlicherweise war die bio-logische Vielfalt der Fadenwürmer in der Ostsee ähnlich, dochwaren es deutlich weniger als in der Nordsee.Tiere, die sich vonden organischen Partikeln in der Oberflächenschicht des Sedi-ments ernähren, profitierten am meisten von den Algen undanderen Partikeln, die in das Sediment gefiltert werden.

Wie das Interesse der einheimischen Öffent-lichkeit und der Touristen geweckt wurdeDas Team junger Wissenschaftler und Manager des NadmorskiPark Krajobrazowy, eines Landschaftsparks mit mehreren Natur-reservaten, sorgten dafür, dass die Ergebnisse von COSA sofortund verständlich an die Öffentlichkeit weitergeleitet wurden.Die engagierten Mitarbeiter des NPK setzten mehrere effektiveStrategien ein, mit denen das Interesse der Öffentlichkeit an derwissenschaftlichen Arbeit von COSA geweckt werden konnte.So gelang es ihnen zum Beispiel mitden „Blue School“-Seminaren mehr-mals im Jahr Schulklassen mit denNaturprozessen in der Ostsee und densandigen Sedimenten der Küste ver-traut zu machen. Um noch mehr Men-schen zu erreichen, veröffentlichtendie NPK-Mitarbeiter eine polnischeCOSA-Webseite. Unterrichtsmaterialwurde entwickelt, das im schulischenBereich und für die Weiterbildung ein-gesetzt werden kann. Zusätzlich gestal-teten sie elektronische Medien (DVD),Broschüren und Informationstafeln fürdie Öffentlichkeit.Am Ostseestrandinformierten bedruckte Segel undTafeln über die Arbeit von COSA, dieWichtigkeit der Küstensande und derheimischen Tier- und Pflanzenwelt.Die regionale Presse berichtete regel-mäßig über die Untersuchungen, ins-besondere während jährlicher wieder-kehrender Ereignisse wie dem„Baltischen Festival der Wissenschaft“und dem „Großen Mai-Picknick“.Die Mitarbeiter vom NPK organisiertenviele Ausstellungen für diese Feste, dieals Attraktionen viele Menschen anzo-gen. Schließlich gab es noch einenregen Ideen- und Personalaustauschzwischen dem polnischen NPK unddem deutschen Nationalparkamt NPO.

NPK - der Landschaftsparkan der Küste auf Hel

Eine Schulklasse besuchtdie „Blaue Schule“ imHauptquartier des NPK undlernt etwas über die Bedro-hungen und Schutzbedürf-nisse der Ostsee.

Während des baltischen Festivals derWissenschaft zeigt ein IOPAS-

Wissenschaftler einem Jungen die Vielfaltder Kleinstlebewesen im Sand

Wissenschaft und NaturschutzViele Menschen in Polen sind sich bewusst, dass ihr kleinesStück Küste einiges an Belastungen zu ertragen hat. Der großeAnsturm von Touristen im Sommer bedroht jedes Jahr die Floraund Fauna der flachen Ufergebiete. Die Verschmutzung der Küs-tengewässer durch stetig ansteigende Nährstoffeinleitung be-nachbarter Landwirtschaftsbetriebe fördert Algenblüten und dasAbsinken der Sauerstoffkonzentration im Wasser. Die Leitung desNationalparks NPK hat daher auf Anregung der COSA-Wissen-schaftler neue Zielsetzungen in ihr Managementkonzept einge-bracht. Zukünftig sollen die Küstensande und die Küstengebietebesser überwacht werden um so Bedrohungen des labilen Öko-systems rechtzeitig zu erkennen und zu verhindern. COSA warauch einer der Impulsgeber für die Gründung einer speziellenInteressensgemeinschaft, die sich für die Erhaltung der bei Helgelegenen Puck-Bucht einsetzt. In dieser Gruppe kommen dieVertreter aller Institutionen zusammen, die für die Verwaltungund Entwicklung dieses wunderschönen Küstengebiets verant-wortlich sind. Mit den Ergebnissen aus dem COSA-Projekt konn-ten sie konkrete Empfehlungen zur Erhaltung der polnischenKüsten formulieren.Weiterhin bemüht sich die Gruppe neue We-ge zu finden, um bereits vor derPlanung neuer Bauvorhaben undanderer Projekte den Schutz die-ses Gebiets sicherzustellen. DieZusammenarbeit geht auch nachEnde des COSA- Projekts weiter.

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Anwendung der COSA-Ergebnisse aufStrategien des KüstenzonenmanagementsBeide Nationalparks, der NPK in Polen und der NationalparkSchleswig-Holsteinisches Wattenmeer, haben die gefordertenMaßnahmen des Projekts umgesetzt und die COSA-Ergebnissean die Behörden und die Öffentlichkeit weitergeleitet.Diese Kombination von wissenschaftlicher Forschung und dieWeitergabe der Information an die Betroffenen war der Schlüs-sel zum Erfolg von COSA. Der erste Schritt war es, die wissen-schaftlichen Ergebnisse in eine Datenbank zu integrieren, diedann von NPO und NPK gemeinsam genutzt werden konnte.Mitarbeiter beider Naturschutzämter und COSA-Forscher über-trugen dann die wissenschaftlichen Ergebnisse in allgemeinver-ständliche Texte für die Öffentlichkeit und Politik.

Der zweite Schritt war die Entwicklung vonStrategien, wie dieÜberwachung der san-digen sublitoralenSedimente an den bei-den Feldstationen ge-sichert werden kann.Zuletzt konnte miteiner Reihe von Ver-öffentlichungen – inelektronischen For-maten (DVD), Druck-materialien und Bei-träge für Fernseh- undRadioprogramme – die Wichtigkeit derKüstensande und ihrSchutz unterstrichenwerden.

Der Nationalpark Schleswig-Holsteini-sches Wattenmeer (NPO) beteiligte sichaußerdem an der Produktion und Vertei-lung von Broschüren und weiteremschriftlichen Material sowie auch einerInformationstafel für die Sylter Feld-station.

NPO - der NationalparkSchleswig-HolsteinischesWattenmeer

Diese Informations-tafel vom NPO in-formiert Touristenund die lokaleBevölkerung direktam Sylter Strandüber das COSA-Projekt.

Das COSA-Projekt interessiert großeund kleine Mitglieder der Öffentlichkeitbeim „Großen Mai-Picknick“ und an-deren Veranstaltungen.

Nutzung dieser wissenschaftlichen Ergebnissefür das internationale WattenmeermanagementObwohl der hohe Wert dieser Küstensandgebiete als Fischerei-gründe, Rohstoffquellen (Wasser, Öl, Gas) und als Touristen-strände unbestritten ist, werden sie nicht ausreichend geschütztund intensiv genutzt. Die Grenzen der Belastbarkeit dieses Öko-systems sind nicht bekannt, und es liegt zum Teil an diesem In-formationsmangel, der zu diesen ungenügenden Schutzmaßnah-men führt. Es bleibt zu hoffen, dass mit den jetzt neu gewonne-nen Erkenntnissen über den Einfluss der Küstensande auf dieWasserqualität und die Produktivität der Fischerei auch bei denpolitischen Entscheidungsträgern ein Umdenken erreicht wird:Diese wertvolle Umwelt muss besser geschützt werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, hatNPO daran gearbeitet, die vielfäl-tigen COSA-Ergebnisse in einerDatenbank zusammen zu fassen.Sie ist Teil der COSA-Website, lie-fert Hintergrundinformation zumProjekt und funktioniert darüberhinaus als Datenlieferant für allebeteiligten Institute. Um die neu-en COSA-Ergebnisse den Behör-den und den Politikern zur Ver-fügung zu stellen, nahmen COSA-Wissenschaftler und Vertreter derNationalparks an Workshops und

Konferenzen teil. Zwei der wichtigsten Treffen waren die„Wadden Sea Commission“ Konferenz in 2004 und die interna-tionale Konferenz der „American Society of Limnology andOceanography (ASLO)“ in 2005. Direktoren der beteiligten Insti-tute und Mitarbeiter besuchten ihre Kollegen in den Partnerin-

stituten und sorgten so füreinen regen Gedankenaus-tausch.

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Diese Sandrippel sind typisch fürdie überfluteten Küstensande undwichtig für den Porenwasseraus-tausch.

Kopplung der Prozesse in Nordseewasser und sublitoralen SandsedimentenAn der Feldstation in der Nordsee bei Sylt verfolgte das Teamvom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung(AWI) mit Zeitserien-Messungen die Zusammenhänge zwischenden Vorgängen in der Wassersäule und den Sedimentprozessen.Zwei Doktoranden untersuchten über 2 Jahre Prozesse in Was-sersäule und Sediment. Mindestens einmal pro Monat nahmensie Proben an der Feldstation, entweder bei Flut mit dem For-schungsschiff „Mya“ oder bei Ebbe zu Fuß. Ihre Proben bearbei-teten sie sofort im nahe gelegenen Labor der Wattenmeerstationund analysierten dort die wichtigsten Merkmale des Sediments:Durchlässigkeit, Porosität, Korngröße, organische Bestandteile(Chlorophyll a, Kohlenhydratgehalt, partikulärer organischerKohlenstoff und Stickstoff), die Nährstoffe. Dabei unterschiedensie die jeweiligen Konzentrationen im Porenwasser und in derdarüber liegenden Wassersäule.Weiterhin wurden die im dorti-gen Sediment lebenden Tiere und Pflanzen erfasst.

Aus diesen Zeitserien-Messungen der Sylter Station und denIOPAS-Daten von Hel konnten die Forscher Referenzdaten fürdie weiteren Messungen bei den intensiven Feldstudien aller anCOSA teilnehmenden Institute berechnen.Während dieserMesskampagnen kamen bis zu 23 Gastwissenschaftler zu denTeams an den beiden Feldstationen hinzu. Diese große Gruppekonnte das schaffen, was nur mit vereinten Kräften möglichwar: Gemeinsam konnte man die vielen speziellen Feldgerätegleichzeitig einsetzen.Während dieser intensiven Zusammenar-

beit wurden euro-paweite Kontaktegeknüpft, die zuneuen gemeinsa-men Projektenführten und dieGrundlage für zu-künftige Koopera-tionen zwischenMitgliedern vonCOSA bildeten.

AWI - die Wattenmeer-Forschungsstation des Alfred-Wegener-Instituts auf Sylt

Sediment-Probennahme auf der Sylter

AWI-Feldstation.

Mit gemeinsamen Kräftenwird das hochsensible,aber schwere Messgerätwährend der Feldstudienzum Einsatzort gebracht.

Verlauf der Nitratkonzentration über einenZeitraum von mehreren Jahren

Manager der beiden Parkverwal-tungen trafen sich mehrmals wäh-rend der Laufzeit von COSA umihre Erfahrungen auszutauschen.

Ein kleines Sandkorn reicht aus alsGrundlage für das Wachstum diesermehrzelligen Alge.

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Auliscus sculptus eine 50-90µmlange Sediment-Diatomee, dieim Sand bei Sylt vorkommt. Sie ist neu in der Ostsee undwurde erst vor kurzem imKattegat gefunden.

Ein deutsch-polnisches COSA-Team trägt Messgeräte von derAWI-Feldstation zum Strand.

Die Modellierung des Transports und der Ver-teilung gelöster Stoffe durch benthische Inver-tebraten (im Sediment lebende wirbellose Tiere)Die Wissenschaftler des NIOO beschäftigten sich schwerpunkt-mäßig mit der Modellierung der Prozesse in sandigen Sedimen-ten, wobei sie aus dem Labor und vor Ort gewonnene Datenzur Überprüfung der Modellergebnisse nutzten.Um die Biogeochemie und Ökologie des sandigenSediments zu verstehen, ist eine quantitative Be-schreibung des Porenwasserfluss und des davonabhängigen Transports gelöster Stoffe sowie auchAlgen und Bakterien notwendig. Die Messungendirekt in permeablen Sedimenten sind besondersschwierig, da die Fließmuster dort dreidimensionalsind und weil die Messgeräte selbst die Messungverfälschen könnten: Sie können künstliche Hin-dernisse für die Strömung darstellen. Daher ist diemathematische Modellierung zusammen mit geziel-ten Laborexperimenten ein wertvolles Werkzeug,um Fließmuster zu quantifizieren und ihre biogeochemischenEffekte zu bewerten.Die vom NIOO entwickelten Modelle beschreiben den Poren-wasserfluss und die daraus folgende Dynamik von gelöstenMarker-Substanzen, die sich bei der Messung nicht in Strukturund Zusammensetzung veränderten. Ursache dieser Strömungenwaren entweder Lebewesen oder sie waren physikalischen Ur-sprungs. Für die verschiedenen Fallstudien zum reaktiven Trans-port in permeablen Sedimentenentwickelten die Mitarbeiter vomNIOO einen neuartigen Modell-ansatz. Ein Fokus lag hierbei aufder Bio-Irrigation, einem Prozessbei dem Tiere, die sich eingraben,aktiv sauerstoffreiches Wasser indas Sediment hineinpumpen.Bei den Laborexperimenten undfür zwei Modellsimulierungenverwendeten sie den Köder-wurm oder Sandpier,Arenicolamarina. Ein weiterer Schwer-punkt lag auf dem Porenwasser-fluss, der durch eine gerichteteStrömung über eine Serie vonRippeln erzeugt wurde.

NIOO-KNAW - Das nieder-ländische Institut für Ökologie

Bei Niedrigwasser frei-liegende Sandbank mitAuswurfhaufen des Sand-piers oder KöderwurmsArenicola marina. Die dunklen Sandhäuf-chen werden Pseudo-faeces genannt.

Schematische Zeichnung einesArenicola-Baus mit seinemBewohner (ca. 25 cm lang) tiefunten in der Röhre.

Der Vergleich von Wasser und Sedimenten in der Nord- und OstseeNachdem die Analytik und Datenverarbeitung abgeschlossenwar, flossen diese Resultate in eine internetbasierte Datenbank(http://www.iopan.gda.pl/projects/cosa/). Mit diesem Werkzeuglassen sich die nun kalibrierten Daten der Feldstationen auf Syltund Hel vergleichen. Die Unterschiede in den jeweiligen jahres-zeitlichen Trends und den unterschiedlichen Verknüpfungenzwischen den Prozessen in der Wassersäule und dem Sedimentwerden deutlich. Bei Hel waren die Nährstoffkonzentrationenim Wasser durchweg geringer als bei Sylt und folgten einemähnlichen, wenn auch geringer ausgeprägten jahreszeitlichenZyklus, mit den höchsten Konzentrationen im Winter.An beidenOrten war der Beitrag des Sediments zur Primärproduktion sig-nifikant, mit einer höheren photosynthetischen Aktivität in denersten Zentimetern der Sedimentoberfläche als in der integrier-ten Wassersäule von ~1.6 m. Dies lag hauptsächlich an derhohen Aktivität der Diatomeen im Sediment.

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Dynamische Umweltfaktoren erschweren dieÜbertragung von Modellergebnissen auf dasKüstenmanagementDie Ergebnisse zeigten, dass an beiden COSA-Feldstationen dieBodenströmungen für die Austauschprozesse zwischen Sedi-ment und Wasser in durchlässigen sandigen Sedimenten vongrößter Wichtigkeit sind. Dank der Modellsimulationen gelanges den Wissenschaftlern, die komplizierten drei-dimensionalenTransporte im Porenwasser und ihrer biogeochemischen Folgenbesser abzuschätzen. Die genauen Modellüberprüfungen bewie-sen, dass es möglich ist mit diesen Modellen die komplexenTransportvorgänge zu beschreiben.

Modellsimulation: Geschwindigkeitsprofile in der Wassersäule über einer Sedimentoberfläche mit Rippeln

Die gerichtete Strömung über einer Serie von Rippeln erzeugt einen Porenwasserfluss im Sediment.

Detail: Wie eine gelöste Substanz aus dem Wasser in das Sediment unter einem der Rippel eindringt.

MBL - das meeresbiologischeLabor der Universität vonKopenhagen

Mit empfindlichen Mikrosensoren, die unterhalb des Metallzylinders an-gebracht sind, misst der Mikroprofiler vertikale Konzentrationsprofile imSediment. Ein computergesteuerter Schrittmotor senkt die Sensoren in 1-mm-Schritten automatisch in den Sand.

Hochauflösende Messungen vor Ort gebenEinblick in die Dynamik biogeochemischerProzesse im Sediment Die dänischen COSA-Wissenschaftler verwendeten Daten-spei-chernde Messgeräte, die in den sandigen Sedimenten automa-tisch Sauerstoffprofile mit hoher räumlicher Auflösung messenkonnten. Um die Photosynthese-Aktivität am Meeresboden zubestimmen, setzten sie einen so genannten Mikroprofiler ein,der die Daten im Sand beider Feldstationen aufzeichnete.Sauerstoffprofile, die über 24 Stunden gemessen wurden, zeig-ten die große Sauerstoffdynamik im Sand beider Stationen.Tagsüber wurde eine Übersättigung mit Sauerstoff in den obe-ren Sedimentschichten festgestellt, die das Eindringen von Sau-erstoff in das tiefere Sediment zu dieser Zeit begünstigt.Dieser Sauerstoff, der von benthischen Diatomeen (Mikroalgen)produziert wird, nützt den aeroben, also Sauerstoff verbrauchen-den (Mikro-) Organismen, die organisches Material im Sedimentabbauen. In der Nacht hört diese Sauerstoffproduktion auf unddie Mikroalgen schalten um auf Sauerstoffverbrauch. Deswegenfallen nachts die Sauerstoffkonzentrationen im Sediment unter-halb der Sediment-Wasser-Grenzschicht auf Null.

Die Sediment-Kamera imFlachwasser-Einsatz.

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Wechselnde Sauerstoffkonzen-trationen werden in der Zeitseriesichtbar. Eine Serie von Bildern der Sauerstoff-Verteilung um sich bewegende Rippel herum doku-mentiert dies. Der weiße Strich zeigt die Sedimentoberfläche an.(Aufgenommen bei der Hel-Station im Frühjahr 2004)

Glossar

Advektion: durch Druckunterschiede verursachter Transport von Substanzen durch die Poren des Sandsediments).

Biogeochemie: chemische Bedingungen und Prozesse im Meeres-boden, die auch von den dort lebenden Organismen beeinflusst werden.

Biokatalytische Filtrierung: Ein Prozess, bei dem Organismen, organisches Material und auch Nährstoffe aus dem Wasser zurückgehalten (filtriert) werden und dabei durch Mikroorganismen umgewandelt oder zersetzt werden.

Benthisch: auf oder im Meeresboden

Bodenströmung: Wasserbewegungen direkt über dem Meeresboden

Diatomee, -een: Kieselalgen, einzellige mikroskopisch kleine Algen mit einer Schale aus Silikat

Flux: Nettogeschwindigkeit mit der eine Substanzmenge pro Zeit-einheit durch eine bestimmte Fläche wandert (wie z.B. Sauerstoffmoleküle durch einen Quadratmeter Meeresbodenoberfläche)

Hypoxisch: nur geringe Mengen Sauerstoff enthaltend (2 mg/l oder weniger)

Hydrodynamik: Dynamik des Wassers verursacht durch Strömungen und Wellen

Invertebraten: wirbellose Tiere wie Krebse, Weichtieren, Würmer; im Meer fast alle Tiere außer Fischen und Meeres-säugern

Partikulärer organischer Kohlenstoff: Der Anteil organischer Ver-bindungen, der so groß ist, dass er durch ein bestimmtes Filter zurückgehalten wird, einschließlich lebender Planktonorganismen (wie Bakterien, Algen, Larven) und ihrer Überreste („organische Reste” oder „Detritus”)

Porenwasserfluss: Wasserströmungen zwischen den Körnern in durchlässigen Sedimenten aus Sand oder Kies

Schelf: flache Meeresgebiete um die Kontinente herum mit Wassertiefen geringer als 200m

Sublitoral: der ständig überflutete Teil der küstennahen Meeresgebiete unterhalb der Niedrigwasserlinie

Um die Sauerstoffkonzentrationim Querschnitt des Sedimentsmessen zu können, registriert die CCD-Kamera des Optoden-Roboters die Fluoreszenz-Signaleeiner sauerstoffempfindlichenSensorfolie, die senkrecht in denSand gefahren wird.

Die Ergebnisse der dänischen Wissen-schaftler vom MBL machen es deut-lich, welchen Beitrag die durchlässi-gen Küstensande zu den Stoffkreis-läufen leisten. Sie helfen, die nachhal-tige Nutzung dieser wichtigen Küs-tenumwelt zu sichern.Auf der Grund-lage mikrobiologischer und geoche-mischer Prozesse können Qualitäts-Indikatoren für das Monitoring undauch für Management Konzepte fürsandige Küstenökosysteme erstelltwerden.

Als die Forscher sich die Sauerstoff-verteilung im Querschnitt des Sedi-ments mit dem planaren Sauerstoff-Optoden-Modul genauer anschauten,konnten sie die enge Kopplung zwi-schen Sediment-Rippeln, Bodenwas-serströmungen, Porenwasserfluss undder Eindringtiefe des Sauerstoffs ver-folgen. Diese Messungen erlaubten eszum ersten Mal, das Volumen des sau-erstoffhaltigen Sediments genau zuberechnen sowie auch dessen Verän-derungen in Abhängigkeit von derFließgeschwindigkeit der Bodenwas-serströmungen. Mit diesen Datenkonnten sie außerdem den Beitragder benthischen Mikroalgen am Sau-erstoffvorrat im Sediment abschätzen.

Ein europäisches Forschungsprojekt, das die Funktion von Küsten-sanden (COastal SAnds) als biokatalytische Filter untersucht

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts COSA erforschten Wissenschaftler ausDeutschland, Dänemark, den Niederlanden und Polen die Funktion von Küstensanden als biokata-

lytische Filtersysteme, um herauszufinden, welche Rolle diese Sedimente in den küstennahenStoffkreisläufen spielen. Gefördert wurde dieses Projekt innerhalb des 5. Forschungsrahmenpro-gramms der EU (EVK3-CT-2002-00076). Seit Anfang 2001 besuchten Wissenschaftler regelmäßig

zwei Feldstationen, die eine im süd-östlichen Teil der Nordsee auf Sylt, die andere im südlichen Teilder Ostsee auf der Halbinsel Hel, um diese Fragen mit einem Bündel an biologischen, biogeoche-

mischen und hydrodynamischen Versuchsanordnungen zu beantworten. Diese Experimente solltenklären, welche grundlegenden Transportprozesse und welche Reaktionsabläufe in diesen durchläs-

sigen Meeresbodensedimenten vorherrschen.Wellen und Bodenströmungen pumpen großeMengen Wasser durch die Oberschichten des Sandes und tragen dabei organische Partikel und

Sauerstoff hinein. Lebewesen des Meeresbodens wie Borstenwürmer und kleine Krebstiere ernäh-ren sich von diesen Partikeln. Die Bakterien, die die Oberfläche der Sandkörner bevölkern, bauen

die organischen Substrate ab, die in die Poren des filternden Sediments vordringen.Angetrieben wird dieser Pumpprozess durch die Wechselwirkung zwischen Bodenströmung undSedimenttopographie.Wasser, das in die Mulden zwischen den Sandwellen hineingepresst wird,

fließt zurück zu den Sandkuppeln, wo die Flüssigkeit, die jetzt mit abgebauten Stoffen wieKohlendioxid und anorganischen Nährstoffen angereichert ist, in die Wassersäule abgegeben wird.

Die Forschung im Rahmen von COSA hat zum ersten Mal diese Filtrationsprozesse an Ort undStelle vor Ort messen können. Die zentrale Rolle dieses Recyclings von Nährstoffen im Küsten-

gebiet und die Allgemeingültigkeit dieses Prozesses werden durch den Vergleich der zweiFeldstationen deutlich. Zwei Vertreter der Naturschutzämter die an COSA teilnahmen, der polni-

sche Landschaftspark Nadmorski Park Krajobrazowy und der Nationalpark Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer, setzten die wissenschaftlichen Ergebnisse in Empfehlungen für

Verwaltung, Management und Umwelt-Monitoring um.Als COSA im November 2005 beendet wurde, hatte es die Kommunikation zwischen europäischen

Forschungsinstituten signifikant verbessert. Es sind zahlreiche neue Gemeinschaftsprojekte ent-standen und die Forschungslabors und Umweltschutzagenturen arbeiten enger zusammen.

Weitere Informationen: www.Eu-cosa.org · www.mpi-bremen.de · www.iopan.gda.pl/projects/cosa/Eine DVD mit dem Titel „Max-Planck-Forscher am Strand – Küstensande als natürliche Biofilter“

ist unter der Tel.-Nr. +49 (0)421 2028-704 auf Anfrage erhältlich.

ImpressumHerausgeber: Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

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Fotos: COSA-Team, Agnieszka Tatarek, Józef Wiktor, Walter Weise