Aquatische Nährstoffkreisläufe

Themen & Projekte

Internationales Zentrum für die Untersuchung von Fluss-Meer-Systemen (DANUBIUS-RI)


Danubius-RI Logo

DANUBIUS-RI (engl. „Research Infrastructure“) ist ein langfristiges, europäisches und interdisziplinäres Forschungsinfrastrukturvorhaben zur Untersuchung von Fluss-Meer-Systemen. Die Forschungsinfrastruktur soll es Wissenschaftlern ermöglichen, die Flüsse, ihre Übergangsgewässer wie Ästuare und Deltas, sowie ihre angrenzenden Meere zusammenhängend zu betrachten. Das Ziel ist ein besseres Prozess- und Systemverständnis zu entwickeln, um bestehende und zukünftige Herausforderungen in Flüssen und ihren angrenzenden Meeren zu bewältigen, ein nachhaltiges Management zu gewährleisten und wertvolle Ökosystemdienstleistungen aufrecht zu erhalten.

DANUBIUS-RI wird derzeit als verteilte Infrastruktur mit Partnern aus 16 europäischen Ländern aufgebaut. Die Mission ist Forschung entlang des Fluss-Meer Kontinuums zu ermöglichen, in dem modernste Einrichtungen, Methoden und Technologien zur Verfügung gestellt werden. Im Jahr 2016 wurde DANUBIUS-RI in die Roadmap des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen (engl. ESFRI) aufgenommen. Im Rahmen des Vorbereitungsprojekt DANUBIUS-PP (Preparatory Phase) wurden die wissenschaftlichen, rechtlichen und finanziellen Grundlagen entwickelt, um DANUBIUS-RI aufzubauen.

Wir haben federführend das Forschungsprogramm für DANUBIUS-RI entwickelt. Außerdem koordinieren wir die regionale Fallstudie „Elbe-Nordsee Supersite“.

Interview mit Dr. Jana Friedrich Mission Impossible? Das europäische Wasserpuzzle

Weitere Informationen zu DANUBIUS-RI

Aufbau einer Forschungsplattform in Tesperhude an der Elbe (FOPLATES)


Seesteg an der Elbe in Tesperhude

Standort für Forschungsplattform (Foto: J.-T. Schaube / HZG)

Nährstoffe aus dem gesamten Einzugsgebiet reichern sich in der Elbe an und werden flussabwärts transportiert, wo sie zu einem massenhaften Wachstum von Mikroalgen führen. Im Bereich des Hamburger Hafens sterben die Mikroalgen jedoch aufgrund verschiedener Faktoren ab. Bakterien bauen die Mikroalgenreste ab und verbrauchen dabei viel Sauerstoff, sodass sauerstoffarme Zonen entstehen. Dieses Beispiel verdeutlicht, wie wichtig eine Untersuchung ist, welche und wie viele Stoffe in die Tideelbe eingetragen werden.

Deshalb wird eine schwimmende Forschungsplattform in Tesperhude an der Elbe ca. 8 km oberhalb des Wehrs in Geesthacht, also dem Beginn der Tideelbe, aufgebaut. Die Forschungsplattform besteht aus einem schwimmenden Pontonsystem, das einen Container trägt, in dem diverse Messsysteme untergebracht sind. Diese liefern kontinuierlich Daten zu verschiedenen gelösten und partikulären Stoffen (z.B. Nährstoffe, Schadstoffe, Schwebstoffe, Mikroalgen).

Desweiteren kann die Forschungsplattform genutzt werden, um neue Methoden und Technologien im Gelände zu testen und (weiter) zu entwickeln. Der Aufbau der Forschungsplattform in Tesperhude wird zu 50% aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und zu 15% aus Mitteln des Landes Schleswig-Holstein gefördert. Das Projekt endet im September 2021. Danach nimmt die Forschungsplattform ihren operationellen Betrieb auf.

Weitere Informationen zur Forschungsplattform Tesperhude

Effekte der mobilen grundberührenden Fischerei in der Nordsee (MGF-Nordsee)


In der deutschen Nordsee sind drei Meeresschutzgebiete ausgewiesen: das Sylter Außenriff, der Borkum Riffgrund und die Doggerbank. Jedoch ist auch in diesen Schutzzonen die kommerzielle Fischerei bisher erlaubt, die einen enormen Effekt auf Sedimente, Benthos und Fischfauna erzeugen kann. Der Ausschluss der mobilen grundberührenden Fischerei (MGF) steht nun in großen Teilen der drei Schutzgebiete bevor.

Im Verbundprojekt MGF-Nordsee beteiligt sich das HZG zusammen mit Partnern vom AWI, ICBM, Thünen-Institut, Senckenberg und HIFMB an der Vorbereitung des Monitorings der Effekte, die sich nach dem Ausschluss der mobilen grundberührenden Fischerei einstellen. Dazu werden sowohl der Ist-Zustand als Referenz aufgenommen sowie neue, angepasste Methoden entwickelt, um die Effekte nach dem Fischereiausschluss zu erfassen.

Das HZG konzentriert sich auf die Quantifizierung der bentho-pelagischen Kopplung innerhalb der Schutzgebiete und die Quantifizierung der benthischen Stoffumsatzraten unter Berücksichtigung von diffusiven, advektiven und makrozoobenthos-mediierten Prozessen.

Effekte von Schadstoffen aus dem Meereis auf die arktische Umwelt (EISPAC)


EISPAC Logo

Die Arktis ist eines der Gebiete, das sich weltweit am schnellsten verändert, u.a. kommt es zu einem massiven Schmelzen von Gletschern und Meereis in Folge der globalen Erwärmung. In dem Projekt EISPAC wird deshalb untersucht, ob und wie Schadstoffe aus dem Meereis im Zusammenspiel mit Nährstoffen die Funktionsweise von Ökosystemen beeinflussen.

Das Ziel ist es herauszufinden, ob und wie verschiedene Schadstoffbelastungen die Organismen am und im Meereis beeinflussen, und ob dies Auswirkungen auf die unteren Ebenen des Nahrungsnetzes hat, insbesondere im Hinblick auf die Verfügbarkeit von Nährstoffen. Das Verhalten und der Verbleib der Schadstoffe und Nährstoffe wird deshalb während Feldkampagnen in der Arktis in Wasser, Eis und Luft erfasst. Eine Fallstudie beschäftigt sich zum Beispiel mit dem Lena Delta im Nordosten von Sibirien. Zusätzlich werden Experimente in einer Meereiskammer an der Universität von Norwich durchgeführt, die es ermöglicht, das Verhalten von Schadstoffen und Nährstoffen im Wasser, im Meereis und in der Luft unter kontrollierbaren Bedingungen zu untersuchen.
Dies hilft bei Rechenmodellen, die Auswirkungen derartiger Veränderungen vorherzusagen, wie zum Beispiel hinsichtlich der Produktivität des Arktischen Ozeans, der Artenverteilung und des Nahrungsnetzes.

EISPAC ist ein Teil des Forschungsprogramms „Arktis im Wandel“ des britischen „Natural Environment Research Council“ und des deutschen Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Weitere Informationen zum Projekt EISPAC

Fingerabdruck von Megastädten: Untersuchung der Nährstoffverteilung in der Bohai See und im Gelben Meer (FINGBOYEL)


Die rasche Urbanisierung in China führte zu einer Entwicklung von Megastädten in der chinesischen Küstenzone, die einen hohen anthropogenen Druck auf die angrenzenden Küstenmeere ausüben. In diesem Teil des Projekts wird untersucht, wie sich die Nährstoffe in der Bohai See und im nördlichen Gelben Meer ausbreiten und regenerieren. Das Ziel dieses Projekts ist es zu klären, ob die hohe Nährstoffbelastung in dieser Küstenregion auf Flussfrachten, auf internes Recycling oder auf atmosphärische Deposition zurückzuführen ist.

Vorhersage von zukünftigen Organismengemeinschaften am Meeresboden (PROBENT)


In Küstenmeeren bestimmen die Beschaffenheit des Meeresbodens sowie verschiedene Prozesse wie Strömungen, Sedimentation und Erosion im Wesentlichen die Organismengemeinschaften und biogeochemischen Stoffkreisläufe. Allerdings beeinflussen wiederum auch die Organismengemeinschaften die biogeochemischen Stoffkreisläufe und die Beschaffenheit des Meeresbodens. Wie groß dieser Einfluss ist, ist zum bisherigen Zeitpunkt jedoch noch nicht bekannt.

Das Ziel dieses Projektes ist es daher, die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Organismen, biogeochemischen Stoffkreisläufen und Beschaffenheit des Meeresbodens für die deutsche Nordsee abzuschätzen und vorherzusagen. Die Untersuchungen basieren auf einer einzigartigen Zusammenstellung von verschiedenen Langzeitdaten (bis zu 60 Jahre) aus der deutschen Nordsee. Durch die Analyse dieser großen Datenreihen und der Anwendung von neuesten hydro- und morphodynamischen Ökosystemmodellen können wir von der Vergangenheit lernen, die Gegenwart modellieren und die Zukunft vorhersagen.

Eutrophierung des Wattenmeeres


Das Wattenmeer entlang der niederländischen, deutschen und dänischen Küste ist das größte Wattsystem der Welt und gehört seit 2009 zum UNESCO Weltkulturerbe. Es ist ein geologisch junges und dynamisches Gebiet, das kontinuierlich von den Gezeiten geformt wird. Es beherbergt viele Pflanzen und Tiere und bietet einen Rastplatz für Millionen von Zugvögeln.

Wie in vielen anderen dicht besiedelten Küstengebieten ist der Einfluss des Menschen groß. Ein Beispiel ist die Eutrophierung, die durch einen Überfluss an Nährstoffen verursacht wird, die über Flüsse und die Atmosphäre in das Wattenmeer gelangen. Dort verursachen die Nährstoffe Algenblüten und tragen dazu bei, dass sich Seegraswiesen zurückziehen. Regulierende Maßnahmen haben zu einem langsamen, aber konstanten Rückgang der flussseitigen Nährstofffrachten geführt. Eine Auswertung von Langzeit-Daten hat gezeigt, dass sich dadurch auch der ökologische Zustand verbessert hat – es gibt weniger Algenblüten und einen geringeren Umsatz der Nährstoffe. Es gibt jedoch regionale Unterschiede. Entlang des niederländischen und ostfriesischen Wattenmeeres wird mehr organisches Material aus der Nordsee importiert als entlang des nordfriesischen Wattenmeeres, wo sich die Seegraswiesen erholen können.

Wir benutzen dieses grundlegende, biogeochemische Verständnis des Wattenmeeres, um Austauschprozesse zwischen der Nordsee und dem Wattenmeer zu untersuchen.

Weitere Informationen zur Eutrophierung (engl.)

Wadden Sea Quality Status Report

Wadden Sea Eutrophication: Long-Term Trends and Regional Differences

Quellen, Senken und Kreisläufe von Stickstoff im Küstenmeer (Helmholtz-Nachwuchsgruppe, 2011 - 2016)


Die Helmholtz-Nachwuchsgruppe arbeitete am Thema Stickstoff, einem essentiellen Makronährstoff, der aber auch zu Problemen durch Eutrophierung führen kann. Wir untersuchten eine Reihe von Themen, von den Auswirkungen der atmosphärischen Deposition auf den Stickstoffeintrag an der Küste und an Land bis hin zur Regeneration von aquatischen Nährstoffen.

Mit Hilfe stabiler Stickstoffisotope untersuchten wir das Zusammenspiel von Nitratregeneration und Denitrifikation in Sedimenten und in der Wassersäule von Ästuaren. Die Analyse der stabilen Isotope von Stickstoff kann dabei helfen, Quellen und Senken von Stickstoff in komplexen aquatischen Systemen zu unterscheiden, da Isotopensignaturen über die reinen Nährstofffrachten hinaus auch Umsatzprozesse von Stickstoff beleuchten können.

In Übereinstimmung mit den Modellergebnissen fanden wir heraus, dass atmosphärische Deposition eine wichtige Quelle für reaktiven Stickstoff ist, insbesondere in Küstenregionen. Moderne Technologien, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe eingesetzt werden, spiegeln sich auch in Veränderungen der N-Isotopensignaturen wider.

Darüber hinaus untersuchten wir die Filterfunktion des Ästuars für Stickstoff, sowohl in natürlicher Umgebung als auch in Kulturexperimenten. Unsere Daten zeigten, dass Nitratregeneration in Ästuaren, zum Beispiel in der Elbe, die Nitratbelastung verdoppeln kann, und dass ein effektives Management der Nährstoffeinträge die Umsatzprozesse und Nährstoffquellen im gesamten Einzugsgebiet mit einbeziehen muss.