Der Anstieg natürlicher Emissionen des Treibhausgases Methan haben einen bedeutenden Einfluss auf das Klima der Erde. Als Methanquelle nehmen küstennahe Gewässer eine besondere Stellung ein, da die Methankonzentration im Wasser hier wesentlich höher ist als im offenen Ozean. Trotz der Bedeutung der Küstengebiete ist bisher nur wenig bekannt über die hier zu findenden Methanemittenten und ihr jeweiliger Beitrag am atmosphärischen Methanfluss. Zudem zeigen eine Reihe aktueller Untersuchungen, dass Methan nicht nur unter anoxischen Bedingungen mikrobiell gebildet werden kann, sondern dass dies auch in einer oxischen Umgebung möglich ist. Eine solche Methanproduktion nahe der Meeresoberfläche würde den Weg zwischen Methanquelle und Atmosphäre wesentlich verkürzen und damit den Methanfluss in die Atmosphäre verstärken. Aufgrund einiger Untersuchungen, die eine Verknüpfung zwischen Primär- und Methanproduktion aufzeigen, stellen wir die Hypothese auf, dass Mikrophytobenthos (MPB)-Gemeinschaften eine wichtige, aber bisher nicht bearbeitete Stellung in der Flachwasser-Methandynamik zukommen. MPB-Gemeinschaften nehmen eine herausragende Rolle in der Primärproduktion von Küstensedimenten ein. Um die Bedeutung der MPB-assoziierten Methanproduktion besser einordnen zu können, werden wir das Potential dieser Methanquelle in Inkubationsexperimenten detailliert untersuchen. Zur Bestimmung der hierbei wichtigen Effektoren und Mikrophytobenthosarten werden wir an verschiedenen axenischen und xenischen klonalen Kulturen benthischer Diatomeen-Spezies die Primär- und Methanproduktion unter kontrollierten Temperatur- und Lichtbedingungen bestimmen. Mit Hilfe einer neuen Cavity-Ring-Down-Spektroskopie basierten Methode planen wir an geschlossenen Inkubationen die Methankonzentrationsentwicklung in hoher zeitlicher Auflösung über Tag/Nacht Zyklen zu erfassen. Zusätzliche Inkubationen mit 13C-markierten Substraten werden es uns erlauben, den Weg der Methanproduktion in den Diatomeen einzugrenzen. Bisher wurde der Prozess der oxischen Methanproduktion nur in Kulturexperimenten untersucht. Ob die hier ermittelten Raten auch in die natürliche Umgebung übertragbar sind, wurde hingegen nicht geprüft. Um diese Wissenslücke zu schließen, planen wir neben den Experimenten an klonalen Kulturen auch Studien an natürlichen MPB-Gemeinschaften durchzuführen. Diese Gemeinschaften werden wir im Flachwasser vor der Insel Askö (schwedische Ostseeküste) und dem inneren Küstengewässer vor Zingst (Darßer-Zingst-Bodden, deutsche Ostseeküste) beproben, um ein möglichst breites Spektrum an Sedimenten, hydrodynamischen Bedingungen und MPB-Gemeinschaften abzudecken. Um die in unseren Experimenten ermittelten Methanproduktionsraten in die benthischen und atmosphärischen Methanflüsse besser einordnen zu können, werden wir in beiden Untersuchungsgebieten die Methanflüsse zwischen Sediment, dem Wasser und der Atmosphäre bestimmen.
Pruefung der natuerlichen Selbstreinigungskraft eines technisch ausgebauten Gewaessers durch Rueckfuehrung in einen naturnahen Zustand am Beispiel der Oster. Fliessgewaesser, Gewaesserguete.
Im Rahmen der hier vorgeschlagenen Studie sollen erstmalig das Vorkommen und die ökologische Bedeutung mixotropher Protisten in küsten- bzw. ufernahen Sedimenten aquatischer Lebensräume untersucht werden. Im Konzept des mikrobiellen Nahrungsnetzes, eines integralen Teils planktischer Nahrungsnetze, das durch den Fraßdruck kleiner Protisten auf Bakterien geprägt ist, spielen mixotrophe Einzeller eine entscheidende Rolle. Durch ihre Fähigkeit zur Kombination der oxygenen Photosynthese wirken sie im System sowohl auf der Ebene der Primärproduzenten als auch auf der der Konsumenten partikulären organischen Materials. Ausmaß und relative Bedeutung der unterschiedlichen Ernährungsmodi unterlagen sowohl auf Organismen- als auch auf Lebensraumebene sehr großen Schwankungen. Im Vergleich zu pelagischen Lebensräumen gibt es noch große Lücken im Wissensstand zur ökologischen Bedeutung benthischer Protisten. Zwar ist die Gemeinschaft des Mikrophytobenthos sowohl hinsichtlich der von ihr gestellten Biomasse als auch hinsichtlich ihrer Photosyntheseleistung sehr gut untersucht, der Großteil der Arbeiten an benthischen 'Protozoen' beschränkt sich dagegen auf Studien, die wenig zu ihrer Funktion im Lebensraum sagen. Zum Potential für Mixotrophie benthischer Einzeller gibt es bisher keine Studien. Die enge taxonomische Verwandschaft zwischen Vertretern der benthischen und der pelagischen Einzeller legt die Vermutung nahe, dass in den euphotischen Bereichen mariner und limnischer Sedimente mixotrophe Protisten vorkommen und einen erheblichen Beitrag sowohl an der Produktion als auch am Konsum organischen Materials haben. Das hier vorgestellte Projekt dient dem Ziel, das Vorkommen benthischer Mixotrophre zu verifizieren, ihre Bedeutung für die Lebensgemeinschaft zu ermitteln und die Auswirkungen verschiedener abiotischer und biotischer Faktoren (Licht, Temperatur, Nährstoff- bzw. Nahrungsangebot) für die Ausbildung oder Dominanz der unterschiedlichen Ernährungsmodi zu beschreiben
Die benthische Vegetation der Küstengewässer der Ostsee wird aus Großalgen und Angiospermen (= Bedecksamer, i. e. S. Blütenpflanzen) gebildet. Man teilt die benthischen Pflanzen in Weich- und Hartbodenvegetation ein. Erstere verankern sich mit Wurzeln bzw. wurzelähnlichen Organen im Sediment, letztere befestigen sich mit Haftscheiben oder -krallen auf dem festen = harten Untergrund. Bei Hartbodenvegetation handelt es sich ausschließlich um Großalgen der taxonomischen Gruppen Grün-, Braun- und Rotalgen (Abb. 1). Großwüchsige Formen besiedeln vorwiegend stabiles Hartsubstrat (Steine, Blöcke), während kleinwüchsige und kurzlebige Algenarten auch instabilere Substrate (z. B. Kies) sowie sekundäre Hartsubstrate wie Miesmuscheln oder auch andere Pflanzen bewachsen. Abb. 1: Hartbodenvegetation bestehend aus dem Sägetang Fucus serratus , dem Schwarzen Gabeltang Furcellaria lumbricalis und verschiedenen Rotalgenarten auf Steingrund (links) und rote braune Feinalgen auf einer Mergel-/Miesmuschelbank (rechts). Bei Weichbodenvegetation handelt es sich in erster Linie um höhere Pflanzen (Angiospermen) wie dem Gemeinen Seegras Zostera marina (Abb. 2). Armleuchteralgen (= Charophyten), eine speziell an den Weichboden angepassten Gruppe der Großalgen siedelt ebenfalls auf Weichboden, aber nur in sehr geschützten Bereichen mit reduziertem Salzgehalt. Vorzugsweise werden Sandgründe besiedelt, während reine Schlick- oder Kiesgründe nur vereinzelt, von ganz bestimmten Pflanzenarten oder -gruppen bewachsen werden. Abb. 2: Typische Weichbodenvegetation geschützter innerer Küstengewässer bestehend aus Armleuchteralgen, höheren Pflanzen des Brackwassers (Meersalden) und des Süßwassers (Laichkraut) (links) sowie eine dichte Seegraswiese der offenen Küstengewässer bestehend aus dem GemeinenSeegras Zostera marina (rechts). Die Verteilung der Weich- und Hartböden und damit der für die jeweiligen Bodenarten typischen Pflanzengruppen zeigt entlang der deutschen Außenküste, also in den offenen, „äußeren“ Küstengewässern, sehr vielfältige, kleinräumig verzahnte Substratverhältnisse in den für die Pflanzen relevanten Flachwasserzonen. Weichböden verschiedenster Ausprägung, also von Feinsand bis Grobkies, wechseln sich mit Stein- und Blockfeldern aber auch Mergel-, Kreide- oder gar Torfgründen unterschiedlichster Flächengröße ab und bilden so die Basis für ein eng verzahntes Mosaik aus unterschiedlichsten Biotoptypen. Der Meeresboden in den inneren Küstengewässer, also in den Förden, Buchten, Ästuaren, Haffs und Boddengewässern, ist dagegen fast durchgehend von Weichboden geringer Korngröße wie Feinsand- und Schlickgrund gekennzeichnet. Die geschützte Lage bedingt eine Akkumulation solcher Feinsedimente. Zusätzlich gefördert durch die meist geringe Wassertiefe und damit hohen Lichteinstrahlung dieser geschützten Küstenbereiche sind die typischen Weichbodengruppen höhere Pflanzen (Angiospermen) und Armleuchteralgen die dort dominierenden Pflanzenkomponenten, während die Großalgen eher eine untergeordnete Rolle spielen. Durch den ausgeprägten horizontalen Salzgehaltsgradienten mit ca. 18-20 psu im westlichen und ca. 6-8 psu im östlichen Teil der Küstengewässer verringert sich die Artenzahl der Hartbodenvegetation (Großalgen) sprunghaft entlang des Küstenverlaufes. Auch am Übergang zwischen den inneren und äußeren Küstengewässern ergibt sich ein Salzgehaltsgradient mit nahezu Süßwasserverhältnissen in manchen inneren Bereichen. Dort können Pflanzenarten des Süßwassers, vor allem Angiospermen und Armleuchteralgen zum Artenspektrum hinzutreten. Innerhalb dieser Salzgehaltsgradienten ergibt sich ein Artenminimum, das bei einem Salzgehalt zwischen 5 und 8 psu liegt. Weichbodenvegetation ist in der Ostsee durch ihre hohen Lichtansprüche natürlicherweise auf Tiefenbereiche oberhalb von 10–13 m beschränkt und wächst besonders dicht in inneren, geschützten Küstenbereichen wie Buchten, Fjorden oder Boddengewässern. In Abhängigkeit von geeignetem Substrat können Großalgen der westlichen Ostsee natürlicherweise bis in 30 m Wassertiefe vorkommen. Marine Pflanzen bauen langfristig existierende, hohe Biomassen auf. Sie nehmen sehr unterschiedliche Ökosystemfunktionen in den Küstengewässern ein. Insbesondere großwüchsige Formen verringern die Wellen- und Brandungsenergie. Arten, die im Weichboden wurzeln erhöhen die Stabilität dieser Sedimente. Beide Faktoren wirken sich positiv auf eine verminderte Küstenerosion aus. Die Vegetation sorgt für eine gute Wasserqualität, da sie als Primärproduzent Nährstoffe aufnimmt und Sauerstoff produziert. Natürlich dienen benthische Pflanzen auch als Nahrung vieler Wirbelloser, jedoch ist diese Rolle im Vergleich zu den einzelligen Pflanzen der Wassersäule (Phytoplankton) oder des Bodens (Mikrophytobenthos) eher untergeordnet. Die größte Bedeutung haben marine Pflanzen als Lebensraum, Nahrungsgrund, Laichgebiet und Kinderstube für Wirbellose, Fische und Vögel. Die Verbreitung und die Häufigkeit von Großalgen und Angiospermen (angegeben als Bedeckung und/oder Biomasse) werden durch verschiedenste physikalische und chemische Faktoren reguliert. Salzgehalt, Temperatur, Nährstoffverfügbarkeit sowie Art und Flächenverteilung der jeweiligen Substrate haben einen entscheidenden Einfluss auf die horizontale Verteilung der Vegetation. Für die vertikale Verbreitung sind dagegen Wellenexposition für die obere und Lichtverfügbarkeit für die untere Verbreitungsgrenze die bestimmenden Faktoren. Die Wasserrahmenrichtlinie benennt verschiedene ökologische Begriffe wie Arten-vielfalt, Abundanz und das Vorhandensein bzw. Fehlen sensitiver und toleranter Arten, mit denen die Bewertung der biologischen Qualitätskomponenten durchgeführt werden soll. Für die Küstengewässer der Ostsee, in denen vergleichsweise starke natürliche Schwankungen von Umweltfaktoren vorliegen, ist gerade die Verwendung von Begriffen wie Sensitivität bzw. Toleranz schwierig, da unter diesen Bedingungen vorwiegend tolerante Arten mit eher geringen Ansprüchen an die Umwelt vorkommen. Durch die geringe natürliche Artenvielfalt, bedingt durch den natürlichen Salzgehaltsgradienten und das ausgeprägte Artenminimum ist die Nutzung dieses Faktors als Bewertungsgrundlage ebenfalls erschwert. Veränderungen von Pflanzenbeständen durch anthropogene Beeinflussung sind seit Jahrzehnten für die Ostsee wissenschaftlich gut dokumentiert. Die Eutrophierung und die mit ihr verbundene Verschlechterung des Lichtklimas werden als Hauptfaktor für die strukturellen Veränderungen der Bestände angeführt. Als Auswirkung der Eutrophierung werden Verringerung der Tiefenausbreitung, Überwachsen mehrjähriger Makrophyten durch schnellwachsende, kurzlebige Arten und das Verschwinden mehrjähriger, habitatbildender Arten benannt. Zur Bewertung der Großalgen und Angispermen der Ostsee liegen zwei Verfahren vor: Das Bewertungsverfahren PHYBIBCO (PHYtoBenthic Indexfor Balticinner COastalwaters) bewertet die Vegetationskomponenten der inneren Küstengewässern der Ostsee. Das Bewertungsverfahren BALCOSIS (Baltic ALgae COmmunity analySIs System) bewertet die Vegetationskomponenten der äußeren, offenen Küstengewässern der Ostsee. Zur Bewertung der opportunistschen Grünalgen liegt das Verfahren OMAI (Opportunistic Macroalgae-cover/acreage on soft sediment intertidal in coastal waters) vor.
Es soll untersucht werden, welchen Einfluss die klimabedingte Veränderung der saisonalen Meereisdynamik auf die benthischen und pelagischen Lebensgemeinschaften der Laptewsee hat. Die Arbeiten des Teilprojekts sind eingebettet in das Arbeitspaket III, in dessen Rahmen in Zusammenarbeit mit TP 2B sowie russischen Partnern in einem integrierten, arbeitsteiligen Forschungsansatz koordinierte Untersuchungen der drei marinen Teilsysteme Meereis, Wassersäule und Meeresboden in der Laptewsee und der Framstraße durchgeführt werden sollen. In diesem Kontext konzentriert sich TP 5A auf das Benthos der Laptewsee. Außerdem sind Untersuchungen des Zooplanktons geplant, die von den russischen Projektpartnern durchgeführt werden. Aufbauend auf den aus umfangreichen und langjährigen russischen und deutschen Vorarbeiten vorliegenden Erkenntnissen sollen dazu weiterführende vergleichende Studien mit zwei Hauptzielen durchgeführt werden: (a) Räumlich hoch aufgelöste Bestimmung der Zusammensetzung, Diversität und Besiedlungsmuster der Meeresbodenfauna (Meiobenthos, Makrobenthos) sowie des Mesozooplanktons in ausgewählten Teilgebieten der Laptewsee, (b) Abschätzung des Kohlenstoffumsatzes und der Nährstoffbilanz der im Meeresboden lebenden Fauna (Endobenthos), sowie deren Reaktion auf klimabedingte Veränderungen in Partikelfluss, Nahrungsverfügbarkeit und benthischen Besiedlungsdichten.
Problemdarstellung und Ziel. Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Im Rahmen des Forschungsprogramms 'Forschung für Nachhaltigkeit (FONA)' wurde das Projekt 'Modulares System für Schelfmeere und Küsten' (MOSSCO) gefördert. MOSSCO ist ein Verbundprojekt des Helmholtz-Zentrums Geesthacht, Institut für Küstenforschung (HZG), des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) und der BAW. Von der BAW wird das Teilprojekt 'Anwendung für den Sedimenttransport: Die Rolle der Biologie' durchgeführt, um bestehende Modellsysteme für die Abbildung des Bodens (Sedimenttransport, Deposition und Erosion), sowie Modelle der bodennahen (benthischen) Flora und Fauna für die Nutzung im integrierten Modellsystem vorzubereiten und zu implementieren. Die heute im Küsteningenieurwesen eingesetzten Modellverfahren berücksichtigen zum Großteil keine biologischen Einflüsse sondern sind auf eine rein abiotische Betrachtungsweise ausgelegt. Insbesondere bei der Betrachtung des Transports suspendierter Sedimente stellt diese Entkopplung ein potenzielles Defizit der Ergebnisqualität dar, da die Beeinflussung biologischer Prozesse auf das Absetzverhalten suspendierter Sedimente nicht berücksichtigt wird. Hinzu kommt, dass die Erosion von Sedimenten maßgeblich durch biologische Parameter wie der Häufigkeit und der Wirkung von Makrofauna oder mikrobieller Stabilisierung der oberen Sedimentschicht beeinflusst sein können. Untersuchungsziel: Das Teilprojekt der BAW bearbeitet schwerpunktmäßig die Schnittstelle zwischen Wassersäule und Boden. Im Rahmen dieses Teilprojektes werden bestehende Modellsysteme für die Abbildung des Bodens (Sedimenttransport, Deposition und Erosion), sowie Modelle des Einflusses der bodennahen (benthischen) Flora und Fauna auf den Sedimenttransport für die Nutzung im integrierten Modellsystem vorbereitet und implementiert Das modulare Modellsystem soll dazu dienen die Wechselwirkung zwischen Biologie und Sediment näher zu untersuchen. Schwerpunkte bilden dabei zunächst 1D-Systemstudien zur biologisch beeinflussten Flokkulation kohäsiver Sedimente in der Wassersäule, sowie durch z.B. Algenauflage veränderte Erosionseigenschaften der Sedimente am Boden. Im nächsten Schritt soll die Erweiterung auf reale Systeme (3D) und die Bewertung der hinzugenommenen biologischen Prozesse für die Sedimentdynamik in Nord- und Ostsee erfolgen. - Ziel 1: Aufbau und Validierung eines Geoökologiemoduls zur Nutzung im Rahmen des modularen Modellsystems. - Ziel 2: Beschreibung gekoppelter biologischer und sedimentologischer Prozesse für die Dynamik kohäsiver Sedimente im Flachwasserbereich und Ableitung möglicher Parametrisierungen - Ziel 3: Quantifizierung des Einflusses benthischer Makrofauna und des Mikrophytobenthos für den Sedimenttransport.
Vor dem Hintergrund des aktuellen Klimawandels und der bevorstehenden Einrichtung des JadeWeserPorts zielen die geplanten Untersuchungen für eine niedersächsische Küstendatenbank auf ein umfassendes natur- und kulturwissenschaftliches Gesamtbild des Jadebusens und seines Umfelds, das zeitlich gesehen den Abschnitt vom Ende der letzten Kaltzeit bis in die Neuzeit umfasst. Die erste umfassende Kartierung der Vegetation und der benthischen Makrofauna im Eulitoral des Jadebusens wurde von Linke (1939) durchgeführt. Hierbei handelte es sich um eine qualitative Begehung des Untersuchungsgebiets mit teilweise quantitativen Stichproben. Dörjes et al. (1969, 1970) führten umfassende quantitative Kartierungen der Makrofauna im gesamten Gebiet der Jade durch. Parallel zu einer flächendeckenden Luftbildbefliegung untersuchte Michaelis (1987) das Makrobenthos in verschiedenen Sedimenttypen im Jadebusen. Die Ergebnisse einer aktuellen Untersuchung der Makrofauna durchgeführt in denselben Gebieten wie in den früheren Untersuchungen sollen Aufschluss über die Veränderungen in den Makrofaunagemeinschaften seit 1930 geben. Modellierungsansätze sollen eine Prognose über zukünftige Veränderungen liefern.
Die Ökologie des Litorals (Flachwasserzone) und die Wechselwirkungen zwischen Litoral und Pelagial (Freiwasserzone) werden in einem längerfristigen, interdisziplinären und koordinierten Ansatz wissenschaftlich untersucht. Wir streben an, zu einem generellen mechanistisch-kausalen Verständnis von der Funktion aquatischer Ökosysteme beizutragen. Datenerhebungen im Freiland an ausgewählten und gemeinsam genutzten Probenahmestellen kombinieren wir mit freilandnahen Mesokosmosexperimenten und mit ökophysiologischen sowie populationsökologischen Laboruntersuchungen. Das Litoral wird als Lebensraum mikrobieller Lebensgemeinschaften (Biofilme, Mikroflora, Bakterien, Pilze) und 'makrobieller' Lebensgemeinschaften (Meiobenthos, Makrobenthos, höhere Pflanzen, Fische) ebenso bearbeitet wie als wichtiges räumliches Kompartiment im Stoffhaushalt des Sees. Dazu gehören auch die gewässerphysikalische Erfassung spezifischer Wasserbewegungen mit entsprechenden Verfrachtungen von biologisch relevantem Material sowie die Fernerkundung vom Flugzeug aus.