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Den Quellen von Nitrat und Ammonium auf der Spur

Robben auf einer Sandbank nahe der Nordfriesischen Küste, von der Prandtl aus, März 2013

Robben auf einer Sandbank nahe der Nordfriesischen Küste

Stickstoff spielt in Ökosystemen eine bedeutende Rolle. Vor allem Küstengewässer und Flüsse sind oft erhöhten Stickstoffeinträgen und einer zunehmenden Überdüngung ausgesetzt. In der Arbeitsgruppe „Isotope“ des Instituts für Küstenforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verfolgen die Wissenschaftler um Abteilungsleiterin Dr. Kirstin Dähnke deshalb, woher der Stickstoff stammt und was mit ihm in den Gewässern passiert. Dabei machen sie sich die unterschiedlichen natürlichen Isotopenverhältnisse der verschiedenen Stickstoffverbindungen zunutze.

Ziel ist es, die verschiedenen Eintragswege unter natürlichen Bedingungen in den Flüssen und Küstenmeeren zu bewerten. Durch die Messung der Isotopenverhältnisse in natürlichen Proben und in Laborkulturen wollen die Wissenschaftler abschätzen, in welchem Ausmaß die Nährstoffüberschüsse durch die Algen im Küstenmeer verstärkt oder ausgeglichen werden können.

Probenehmer zum Sammeln atmosphärischer N-Deposition

Messgerät zur Erfassung atmosphärischer Stickstoffniederschläge.

Dazu untersuchen sie atmosphärische Stickstoffniederschläge. Atmosphärische Niederschläge– auch Depositionen genannt - von Nitrat und Ammonium spielen eine wichtige Rolle an Land, aber auch in Küstenökosystemen. Ein Überschuss an Stickstoff trägt zur Nährstoffanreicherung und schließlich zur Eutrophierung – sozusagen einer Überdüngung - von Ökosystemen bei. Dadurch kann es zu Algenblüten in Gewässern kommen und auch ganz allgemein zu einem Verlust an Artenvielfalt. Dies gilt besonders für nährstoffarme Ökosysteme an Land, zu denen beispielsweise Heiden gehören. Die Wissenschaftler bestimmen die Menge des atmosphärischen Stickstoffs und seine Isotopenzusammensetzung dort, wo er ankommt.

Die Isotopenzusammensetzung ist quellenspezifisch, das heißt sie unterscheidet sich, je nachdem, woher die gemessenen Stickoxide (NOx) stammen. Während natürliche Quellen von NOx relativ leichte Isotopenwerte haben, sind die Werte von NOx aus Verbrennungsprozessen – etwa aus Kraftwerken, Verkehr oder Schiffsemissionen - deutlich schwerer.

Flüsse als Filter

Tina Sanders auf der Prandtl bei der Wasserprobenahme

Wissenschaftlerin Dr. Tina Sanders aus der Arbeitsgruppe "Isotope" bei der Wasserprobenahme auf dem Forschungsschiff Ludwig Prandtl.

Flüsse in Europa und anderen dicht besiedelten Gebieten sind durch Düngemitteleinträge, kommunale Abwässer und atmosphärische Niederschläge erhöhten Stickstoffeinträgen ausgesetzt. Der Einsatz von Stickstoff als Dünger im heutigen Maßstab wurde möglich durch das so genannte Haber-Bosch-Verfahren, also die industrielle Produktion von Ammoniak aus Luftstickstoff.

Stickstoffdüngung ist zwar für die Landwirtschaft unerlässlich, ein Zuviel an Stickstoff führt aber zu einem erhöhten Eintrag von Nitrat in die Gewässer. Dieses Nitrat kann von Algen aufgenommen werden und verursacht dann Algenblüten, deren Abbau wiederum Sauerstoff verbraucht. So entstehen besonders im Sommer schnell sauerstoffarme Zonen in Gewässern. Beim Abbau von Biomasse kann wiederum Nitrat - durch die so genannte Nitrifizierung - gebildet werden, wodurch das Gewässer weiter belastet wird – ein Prozess, der besonders im Hamburger Hafen sichtbar ist.

Letzten Endes wird das Nitrat aus den Flüssen durch Nitratatmung - auch Denitrifizierung genannt - wieder entfernt und zu Luftstickstoff umgewandelt. Dieser Prozess spielt sich besonders in Sedimenten ab, da Nitratatmung meist erst dann einsetzt, wenn kein Sauerstoff mehr vorhanden ist.

Übertragung der Methoden auch auf andere Flüsse möglich

nochmal Markus Ankele und ich bei der Probenaurbereitung an Bord der Prandtl

Abteilungsleiterin Dr. Kirsin Dähnke und Kollege Dipl.-Ing. Markus Ankele bei der Probenaufbereitung direkt auf dem Forschungsschiff.

All diese Prozesse verändern die Isotopensignatur des im Wasser gelösten Nitrats, da bevorzugt das leichtere, stabile Stickstoffisotop 14N verarbeitet wird. Dadurch reichert sich im Wasser nach und nach das schwerere Isotop 15N an. Diese minimalen Änderungen im Isotopenverhältnis nutzen die Wissenschaftler, um über die Isotopenveränderung im Nitrat Rückschlüsse auf die verantwortlichen Prozesse zu ziehen.

Die Methode kann auf die Elbe, die Deutsche Bucht, aber auch auf andere Flüsse und Küstengebiete - wie zum Beispiel die Donau - angewendet werden. In der Elbe verfolgen die Wissenschaftler den Stickstoffkreislauf durch regelmäßige Probennahmen am Wehr Geesthacht und auf verschiedenen Messfahrten das Ästuar entlang.

Denitrifizierung spielt in der Elbe kaum noch eine Rolle

In der Elbe konnten sie zeigen, dass Denitrifizierung kaum noch eine Rolle spielt, dass aber der intensive Abbau von organischem Material im Hafen die Nitratfracht teilweise fast verdoppelt.

Im Donaudelta konnten die Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit der Universität Hamburg feststellen, dass das Nitrat aus dem Fluss in messbaren Mengen durch Plankton aufgenommen wird, und dass - im Vergleich zu den vergangenen Jahrzehnten - die Eutrophierung hier eher zurückzugehen scheint.

Isotopenzusammensetzung verrät Herkunft von Stickstoff in Niederschlägen

Trajektorienanalyse (zur Luftmassenherkunft) für Proben, die 2013 – 2014 in Geesthacht genommen wurden

Analyse der Herkunft der Luftmassen (Trajektorienanalyse) für Proben, die 2013 – 2014 in Geesthacht genommen wurden.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt in der Arbeitsgruppe ist es zu überprüfen, ob historische oder räumliche Schwankungen in der Isotopenzusammensetzung von NOx auf sich verändernde Emissionen zurückgeführt werden können. Dazu wird ausgewertet, wie sich die Werte in den vergangenen Jahrzehnten verändert haben, in denen die Stickstoffemissionen deutlich reduziert wurden.

Auch der Einfluss atmosphärischer Stickstoffeinträge auf nährstoffarme Ökosysteme wird untersucht. Zu den Methoden gehören diverse Niederschlagsprobenahmen sowie die Analyse der Transportwege von NOx, die die Abteilung „Isotope“ gemeinsam mit der ebenfalls am Institut für Küstenforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht ansässigen Abteilung „Chemietransportmodellierung” untersucht und auswertet.

Ein spannendes Ergebnis dieser Untersuchungen ist, dass sich die Isotopenwerte seit den 80er Jahren deutlich verändert haben. Dies lässt sich vermutlich darauf zurückführen, dass verstärkt Katalysatoren eingesetzt werden. An der Küste kann man außerdem an den schweren Isotopenwerten im Nitrat in Niederschlägen erkennen, dass Schiffsemissionen sich ebenfalls auf die Nitratmengen und die Isotopenwerte auswirken. So konnten die Wissenschaftler tatsächlich an der Küste mehr Nitratdeposition messen als beispielsweise in Geesthacht im Landesinneren.

Kontakt


Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Isotope"

Dr. Kirstin Dähnke
Dr. Kirstin Dähnke

Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Tel: +49 (0)4152 87-1865

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Norddeutsches Klimabüro und Pressearbeit Küstenforschung

Jessica Klepgen
Jessica Klepgen

Helmholtz-Zentrum Geesthacht

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