We analyzed concentrations of dissolved and particulate trace metals, including iron (Fe), manganese (Mn), vanadium (V), molybdenum (Mo), thallium (Tl), and rare earth elements (REE), during a mesocosm-based phytoplankton summer bloom mimicking the intertidal zone of the southern North Sea (Jade Bay). The studies aimed to identify key drivers controlling their biogeochemical cycling in dynamic, high-productivity coastal environments. Our results highlight the tidally influenced coastal zone as a critical interface that alters the behavior of supposedly conservative elements such as Mo and Tl (Mori et al., 2021) as well as natural and anthropogenic REE (incl., lanthanum, samarium, and gadolinium) (Mori et al., under review). Trace metal concentrations and shale-normalized REE patterns, determined by quadrupole inductively coupled plasma–mass spectrometry (ICP-MS) and inductively coupled plasma–optical emission spectrometry (ICP-OES), were combined with biogeochemical bulk parameters and pigment-based assessments of phytoplankton growth and community composition (Mustaffa et al., 2020). Trace metal and REE cycling were evaluated in relation to phytoplankton dynamics, particulate organic matter composition (C, N, P), dissolved organic carbon, total dissolved nitrogen, and macronutrient concentrations (nitrate, ammonium, silicate, and inorganic phosphate). The dataset was obtained during a Planktotron-based mesocosm experiment conducted within the framework of the Coastal Ocean Darkening project (Mustaffa et al., 2020).
Im Fokus des Projektes steht der Einfluss des organischen Stoffkreislaufs auf den biogeochemischen Kreislauf der (Ultra-)Spurenmetalle Thallium (Tl) und die Gruppe der Seltenen Erden Elemente (SEE) im Küstenbereich. Bisher wird davon ausgegangen, dass diese Metalle nicht von bio-assoziierten Prozessen beeinflusst werden. Aktuelle Studien weisen jedoch darauf hin, dass diese Metalle in hochproduktiven Küstengebieten in Verbindung mit organischen Stoffkreisläufen stehen und im organischen Stoffpool akkumuliert werden. Ein Umstand, welcher ihr Potenzial zur Schädigung von Küstenökosystemen deutlich macht. Bislang ist jedoch wenig darüber bekannt, wie diese Metalle mit welcher Fraktion des organischen Stoffpools in Verbindung stehen und welchen Einfluss organische Stoffkreisläufe auf deren biogeochemische Kreisläufe haben, und umgekehrt. Außerdem ist bislang nicht geklärt, welche Prozesse für die beobachteten räumlichen und zeitlichen Änderungen in den Konzentrationsmustern von Tl und SEE, insbesondere in den Küstengebieten, verantwortlich sind. In Anbetracht der Toxizität dieser Metalle, der anthropogenen Veränderung ihres Vorkommens im Küstenbereich, sowie ihrer Verwendung als Tracer für ozeanische Prozesse, sind Kenntnisse über ihre biogeochemischen Kreisläufe unerlässlich. Zentrale Aspekte, die im Rahmen dieses Projekts untersucht werden sollen, sind: (1) Das Verhalten und der Verbleib von natürlich und anthropogen eingetragenem Tl und SEE in den verschiedenen Kompartimenten des Küstenozeans, und (2) Der Einfluss von organischen Stoffkreisläufen, in Bezug auf die lebende und nicht lebende Fraktion des Stoffpools, auf die Konzentrationsmuster von Tl und SEE und umgekehrt.Diese Aspekte werden mittels eines höchst interdisziplinären Multiparameter-Ansatzes untersucht, in welchem labor- und feldbasierte Ansätze von unterschiedlicher ökologischer Komplexität und zeitlicher Auflösung kombiniert werden. Auf Basis eines Mikrokosmen-Ansatzes, in welchem eine für die Nordsee typische Phytoplanktongemeinschaft und repräsentative Einzelarten unter umgebungs- und erhöhten Tl- und SEE-Bedingungen inkubiert werden, werden die artspezifischen Auswirkungen auf das Verhalten von Tl und SEE und umgekehrt die Reaktion des Phytoplanktons auf anthropogenen Stress ermittelt. Der Einfluss einer Phytoplanktonblüte und den damit verbundenen biogeochemischen Prozessen auf die Metallkonzentrationen im intertidalen Küstenbereich sowie potenzielle Schlüsselfaktoren, werden im Rahmen eines Mesokosmen-Ansatzes untersucht. Die saisonale und interannuelle Variabilität der Tl- und SEE-Dynamik im Küstenbereich sowie die verantwortlichen Hauptfaktoren, werden anhand von Multiparameter-Zeitseriendaten, welche im Küstenbereich der deutschen Nordsee erhoben werden, untersucht. Anhand der Ergebnisse werden außerdem die Erkenntnisse aus den Mikro- und Mesokosmenkonzepten validiert und deren Übertragbarkeit auf ein natürliches System bewertet.
Kuenstlich einem Wasserkoerper zugesetzte Leitstoffe (Tracer), welche sehr empfindlich mittels Neutronenaktivierungsanalyse erfasst werden koennen (sub-ppb-Bereich), sollen auf ihre laengerfristige chemische Stabilitaet in Gewaessern (z.B. Grundwasser in Kontakt mit diversen Bodenmaterialien) als auch auf ihre Einsatzmoeglichkeit in der Praxis (Kosten, Verfuegbarkeit der Ergebnisse u.a.m.) untersucht werden. Hierbei stehen die Elemente Brom (als Bromid) sowie Indium und einige seltene Erden (als Chelat-Komplexe) zur Diskussion: sie zeichnen sich durch einen sehr geringen natuerlichen Background (Ausnahme: Brom im Salz- und Brackwasserbereich) und eine hohe Stabilitaet gegen Adsorptions- oder Faellungsprozesse aus.