TY - THES A1 - Dietz, Severine T1 - Geochemische Prozesse und schichtungsrelevante Stoffe in meromiktischen Seen der Lausitz T1 - Geochemical processes and density-relevant solutes in meromictic lakes of the Lusatian mining district N2 - Vor dem Hintergrund der zunehmenden Anzahl an Tagebauseen sowie den Folgen der anthropogen veränderten Klimaentwicklung und infolgedessen der Möglichkeit des Entstehens oder/und des Zusammenbrechens von Meromixis in Seen besteht die Notwendigkeit, Kenntnisse über die Dichteschichtung verursachenden chemischen Prozesse sowie die in der Wassersäule auftretenden Dichtegradienten und die Dichtebeiträge gelöster Stoffe zu gewinnen. Aus diesem Grund wurden zwei meromiktische, in der Lausitz gelegene Seen (Waldsee, Moritzteich) untersucht. Ziel war es, neben den Ursachen der Dichteschichtung die (bio)geochemischen Prozesse in der Wassersäule sowie an der Sediment-Wasser-Grenze zu untersuchen sowie Dichtegradienten und die Dichtebeiträge gelöster Stoffe im Gewässer zu quantifizieren. Hierzu wurden die Seewasser-, Sediment-, Sinkstoff- und Porenwasserbeschaffenheit chemisch analysiert sowie tiefenorientierte Messungen der Vor-Ort-Parameter in der Wassersäule durchgeführt. Die Daten waren Basis geochemischer Berechnungen, der Bestimmung dichterelevanter chemischer Prozesse und Parameter sowie der Berechnung der Dichtegradienten in der Wassersäule und der Dichtebeiträge gelöster Stoffe. Die Ergebnisse zeigten, dass in den untersuchten Braunkohletagebauseen die Meromixis auf der biogeochemischen Umsetzung des Eisens mit der Bildung eisenhydroxidischer und -hydroxosulfatischer Minerale im Mixolimnion und deren Auflösung sowie der Reduktion des Eisens(III) zu Eisen(II) im Monimolimnion beruht. Dabei war die Beschaffenheit der im Mixolimnion gebildeten Eisenverbindungen pH-abhängig. Bei pH-Werten ≤3 wurden Eisenhydroxosulfate (vermutlich Schwertmannit) und bei pH-Werten von 6 bis 7 Ferrihydrit ausgefällt. Die in den Monimolimnionsedimenten ablaufende Sulfatreduktion führte zu einem in das Sediment gerichteten Sulfat- und Eisenfluss, wobei bei einem möglichen Eisenüberschuss dieses auch ins Wasser freigesetzt und somit zu einer Erhöhung der Dichte im Monimolimnion beitragen konnte. Die im Mixolimnionsediment ablaufenden chemischen Prozesse waren vor allem vom vorliegenden geochemischen Milieu abhängig. Dabei können in Organikreichen Sedimenten sulfatreduzierende Prozesse stattfinden, wohingegen in den sauren, geringer organischen Sedimenten möglicherweise eine diagenetische Umwandlung metastabilen Schwertmannits zu stabileren Goethit vorliegt. Der chemische Dichtegradient beruhte im Wesentlichen auf Eisen(II) und dem Karbonatsystem (HCO3-+CO2), zu geringeren Anteilen auf DOC und Calcium sowie, ausschließlich im Moritzteich, auf Sulfat. Insgesamt war der in beiden Seen durch die chemischen Stoffe verursachte Dichtegradient zwischen Mixo- und Monimolimnion mit maximal rd. 1,0 g/l gering. Saisonale Veränderungen des chemischen Dichtegradienten in beiden Seen waren marginal. Somit basierten Schwankungen des Gesamtdichtegradienten in der Wassersäule vor allem auf den Änderungen der Temperatur und weniger auf den Änderungen der Konzentrationen gelöster Stoffe. N2 - The potential formation and/or collapse of meromixis in lakes due to climate change demands a better understanding of the influence of chemical processes and dissolved solutes on water density changes with depth. This need is amplified by the ever-increasing number of mining lakes with their potential for meromixis. The aim of this thesis is to investigate causes of density stratification and bio-/ geochemical processes in lakes as well as at the sediment water interface. Additionally, density gradients of solutes dissolved in lake water are quantified. Two meromictic mining lakes in the Lusatian mining district have been investigated, Waldsee and Moritzteich. The composition of the lake water, sinking particles, sediments, and pore water have been analysed chemically. Measurements of in-situ parameter changes with depth within the lake water have been performed. The collected data form the basis for geochemical analyses of the determination of (depth-relevant) chemical processes and parameters as well as for the analyses of water density gradients and the density contribution of dissolved solutes. Results show that meromixis depends in the studied mining lakes on the biogeochemical transformation of iron, on the development and dissolution of ironhydroxides and -hydroxysulfates within the mixolimnion and on the reduction of ferric iron into ferrous iron within the monimolimnion. The sulfate reduction taking place within the monimolimnion sediments leads to a sediment-oriented migration of sulfate and iron. Here, a possible iron surplus might render a dissolution of iron into the lake water, leading to an increase of the density within the monimolimnion. The chemical processes taking place within the mixolimnion sediment of the lakes mainly depend on the geochemical environment. Within sediments rich in organic components, such as those of Waldsee, sulfate reducing processes might occur. In contrast, in acidic sediments with less organic matter, such as those of Moritzteich, measurements indicate a diagenetic transformation of metastabile Schwertmannite into more stable Goethite. The chemical density gradient largely depends on iron(II) and on the carbonate system (HCO3- + CO2), to a lower degree on DOC and calcium and, in case of Moritzteich, on sulfate. In Waldsee, sulfate was not relevant for maintaining the chemical density stratification due to its nearly uniform density contribution at all depths. In conclusion, the density gradient between mixo- and monimolimnion caused by chemical solutes is rather small. For Waldsee, values lie around 0.5 g/l and for Moritzteich around 1.0 g/l. Seasonal changes of the chemical density gradient are rather small in both lakes. Thus, variations of the overall density gradient of the lake water in both lakes mainly depend on the temperature change rather than the concentration of solutes. KW - Tagebausee KW - Meromixis KW - Dichteschichtung KW - Eisenkreislauf KW - Mining lake KW - Meromixis KW - Density stratification KW - Iron cycle KW - Bergbaurestsee KW - Bergbaunachfolgelandschaft KW - Lausitz KW - Meromiktischer See KW - Umweltgeochemie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46625 ER - TY - THES A1 - Seidel, Michael T1 - Naturnaher Einsatz von Holz zur Entwicklung von Fließgewässern im Norddeutschen Tiefland T1 - Guidelines for the restoration of lowland streams with wood N2 - Vor dem Hintergrund der EG WRRL besteht ein großer Bedarf an effektiven Maßnahmen zur Gewässerentwicklung. Das Belassen und der Einbau von Holz haben hierfür durch die Aktivierung fließgewässertypischer Prozesse ein großes Potenzial. Ziel war es daher, Handlungsempfehlungen für das Belassen und den naturnahen Einsatz von Holz in Tieflandbächen zu entwickeln. Diese basieren auf Grundlage des aktuellen Wissensstandes und eigenen Untersuchungen zu offenen Fragen. In den eigenen Untersuchungen wurden Holz- bzw. Maßnahmenstrecken mit unveränderten bzw. holzfreien Kontrollstrecken in Tieflandbächen und –flüssen verglichen, hauptsächlich hinsichtlich ökologischer Zustandsbewertung des Makrozoobenthos und der Fische, der Gewässerstruktur und der Holzmengen bzw. der Holzdynamik. Die eigenen Untersuchungen zeigten: 1. Die Wirkungszusammenhänge zwischen Holz und Organismen des Makrozoobenthos waren auch in der Zustandsbewertung nach EG WRRL feststellbar. Holz führte unabhängig von Gewässertyp und –größe zur Verbesserung der Strukturgüte und des ökologischen Zustands beim Makrozoobenthos. Die Zustandsbewertung wurde in 45 % der untersuchten Strecken (N = 31) soweit verbessert, dass der „gute“ und sogar „sehr gute“ ökologische Zustand erreicht wurde. 2. Eingebaute Strömungslenker aus Holz können den natürlichen Eintrag nicht vollständig ersetzen. Strömungslenker erzielten nur teilweise Verbesserungen der Gewässerstruktur und des ökologischen Zustands. In den 7 untersuchten Strecken wurde die Tiefenvariabilität im Längsprofil durch die Bildung von Kolken gesteigert. Sinuosität, Querprofil, Sohlsubstrat und der ökologische Zustand des Makrozoobenthos und der Fische wurden aber nur kaum beeinflusst. 3. Der Einbau von Holz beeinflusst die Dynamik und Retention von Driftholz und führt zu einer Steigerung der Holzmenge in einer Gewässerstrecke. In einer 400 m langen Strecke eines Tieflandflusses mit Strömungslenkern aus Holz und natürlichem Holzeintrag wurde die eingebaute Holzmenge durch die zusätzliche Retention von Driftholz nach vier Jahren bereits um 60 % im Volumen und um 240 % in der Holzoberfläche erhöht. Der kontinuierliche Austrag von Holz aus der Strecke wurde durch neuen Eintrag und die Retention in der Strecke kompensiert. In den Handlungsempfehlungen für die Praxis wurde herausgearbeitet, dass die Förderung des natürlichen Holzeintrags prinzipiell Priorität gegenüber dem Einbau von Holz hat. Für drei Restriktionsgrade von gering bis hoch wurden Empfehlungen für einen möglichst naturnahen Holzeinsatz entwickelt, der zudem natürlichen Holzeintrag berücksichtigt. Grundlage der Empfehlungen sind Angaben zum Holzvolumen, dem Deckungsgrad, der Anzahl an Stämmen sowie dem Verbauungsgrad von Holzeinbauten und deren Lage zur Fließrichtung. Ergänzt werden die Angaben durch die Kategorisierung von 6 Grundtypen natürlicher Holzstrukturen. N2 - Against the background of the EU WFD there is a great need for effective river restoration measures. For this, the natural input and the installation of wood have great potential by activating typical river processes. Therefore, the aim was to develop recommendations for the preservation and close-to-nature installation of wood in lowland streams. These are based on the current state of knowledge and own investigations on open questions. In the own investigations, lowland river reaches with natural input or the installation of wood were compared with control reaches without wood, mainly with regard to ecological condition assessment of macrozoobenthos and fish, hydromorphology, and wood quantities or wood dynamics. The own investigations showed: 1. The causal relationships between wood and organisms of macrozoobenthos were also found by the assessment of ecological status according to the EU WFD. Irrespective of the type and size of the river, wood improved the structural quality and ecological status of the macrozoobenthos. The ecological status was improved in 45 % of the reaches so far that the "good" and even "very good" ecological status was achieved. 2. Built-in wooden flow deflectors can not completely replace the natural input of wood. Flow deflectors achieved only partial improvements in hydromorphology and ecological status in the seven study reaches. The depth variability in the longitudinal profile was increased by the formation of pools. However, sinuosity, cross-section, bottom substrate and ecological status of macrozoobenthos and fish were hardly improved. 3. The installation of wood influences the dynamics and retention of drift wood and leads to an increase in the amount of wood. In a 400 m reach of a lowland river with wooden flow deflectors and natural input of wood, the installed amount of wood was increased by 60 % in the volume and by 240 % in the wood surface after four years due to the additional retention of driftwood. The continuous export of wood from the reach was compensated by continuous input of wood into the reach. In the recommendations for action it was pointed out that the natural input of wood has in principle priority over the installation of wood. For three degrees of restriction from low to high, recommendations were made for the most natural installation of wood, which also takes account of natural wood input. The recommendations are based on information on the volume of wood, the cover ratio on the river bed, the number of logs, the blockage of the cross-section and its position relative to the direction of flow. The information is supplemented by the categorization of six basic types of natural wood structures. KW - Fließgewässer KW - Renaturierung KW - Totholz KW - Eigendynamische Entwicklung KW - Ökologischer Zustand KW - River KW - Woody debris KW - Flow deflector KW - Ecological status KW - Restoration KW - Fließgewässer KW - Bach KW - Renaturierung <Ökologie> KW - Totholz KW - Ökologie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44314 SN - 978-3-8440-5775-1 PB - Shaker Verlag CY - Aachen ER - TY - THES A1 - Kolzau, Sebastian T1 - Phytoplankton nitrogen and phosphorus limitation and the N₂-fixation potential of Nostocales at varying nitrogen supplies and light intensities in lakes T1 - Stickstoff- und Phosphorlimitation des Phytoplankton und das N₂-Fixierungspotential von Nostocales bei variierenden Stickstoffverfügbarkeiten und Lichtintensitäten in Seen N2 - In order to lower the phytoplankton biomass in lakes it is theoretically most effective to reduce the nutrient that is actually limiting. However, it is widely assumed that the abundance and N₂-fixation rate of N₂-fixing cyanobacteria (Nostocales) would increase in response to reduced N loading, and thereby render efforts to improve water quality by N reduction ineffective. Nostocales N₂-fixation has a huge energy demand and consequently the light intensity may affect the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions. This led to the following aims, for which three different sets of experiments were conducted. (i) Determination of the seasonal dynamic of N- and P-limitation for four lakes of differing lake types in the German lowlands and testing the power of four N:P ratios to predict the limiting nutrient: Biweekly experiments were performed in 4 lakes differing in lake. For the shallow lakes there was a trend from P limitation in spring to N or light limitation in summer and autumn, while the deep lake remained predominantly P limited. The ability of in-lake N:P ratios to predict the relative strength of N vs. P limitation was tested using linear regression. All four N:P ratios had significant positive relationships with the response ratio to N and P additions, but the TN:TP and DIN:TP ratios performed best. Nitrogen limitation was predictable, frequent and persistent, suggesting that nitrogen reduction could play a role in water quality management. (ii) Determination of the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To achieve this, an experiment with water from an N limited lake (LAN) was conducted. While the Nostocales biovolume did not respond to varying N additions, the N₂-fixation increased in low N microcosms. To quantify the extent to which Nostocales compensated for the varying N addition rate, we calculated a compensation rate (CR). By the end of the experiment a CR of 36 % was reached. However, at biovolumes typical for summer in LAN the CR would be much lower. Therefore, in shallow polymictic lakes like LAN, reduced N loading may lower both in-lake N concentrations and biovolumes of non-fixing phytoplankton without significantly impacting Nostocales biovolume. (iii) Determination of the effect of the light intensity on the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To accomplish this aim another microcosm experiment with water from LAN was conducted. While at low and intermediate light intensities the reduction of N addition had no effect on Nostocales biovolume, at high light intensities it led to an increase. The N₂-fixation increased at all light intensities when N addition got reduced. This positive response to a reduction in N addition increased with light, showing that Nostocales may take advantage of being able to fix N₂ mainly at high light intensities. N2 - Zur Verringerung der Phytoplanktonbiomasse ist es theoretisch am effektivsten den tatsächlich limitierenden Nährstoff zu reduzieren. Allerdings wird häufig angenommen, dass die Abundanz und die N₂-Fixierung von N₂-fixierenden Cyanobakterien (Nostocales) in Folge einer Verringerung der N-Einträge zunehmen und dadurch die Bemühungen die Wasserqualität zu verbessern ineffektiv machen. Der hohe Energiebedarf der N₂-Fixierung legt nahe, dass das Licht einen Einfluss auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumen und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben hat. Dies führte zu den folgenden Zielen, für die drei Reihen von Nährstoffzugabeexperimenten durchgeführt wurden: (i) Bestimmung der saisonalen Dynamik der N- und P-Limitation in 4 Seen mit unterschiedlichen Seetypen und Prüfung der Vorhersagbarkeit des limitierenden Nährstoffes durch vier N:P-Verhätlnisse: Hierfür wurden alle zwei Wochen Bioassays in 4 Seen durchgeführt. In den polymiktischen Seen wurde ein Wechsel von P-Limitation im Frühling zu N-Limitation später im Jahr beobachtet, während der tiefe See vorwiegend durch P limitiert war. Die Möglichkeit die N und P-Limitation durch N:P-Verhältnisse in den Seen vorherzusagen wurde mit linearer Regression getestet. Alle vier N:P Verhältnisse zeigten einen signifikanten positiven Zusammenhang mit dem Reaktionsverhältnis, aber die Verhältnisse von TN:TP und DIN:TP schnitten am besten ab. N-Limitation konnte häufig und beständig nachgewiesen werden. Daher könnte die Reduktion von Stickstoff zur Verbesserung der Wasserqualität betragen. (ii) Bestimmung der Reaktion des Nostocalen Biovolumens und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben: Hierfür wurde ein Experiment mit Wasser aus dem überwiegend N-limitierten Langen See (LAN) durchgeführt. Während das Nostocale Biovolumen nicht auf eine Variierung der N-Zugabe reagierte, nahm die N₂-Fixierung bei niedriger N-Zugabe zu. Zur Quantifizierung der Kompensation durch Nostocales wurde eine Kompensationsrate (CR) berechnet. Bis zum Ende des Experimentes wurde eine CR von 36 % erreicht. Bei für den Sommer typischen Biovolumina wäre die CR allerdings wesentlich geringer. Daher könnte in polymiktischen Seen eine Verringerung der N-Einträge, sowohl die N-Konzentration, als auch das Gesamtbiovolumen des Phytoplanktons verringern, ohne das Nostocale Biovolumen zu beeinflussen. (iii) Bestimmung des Einflusses der Lichtintensität auf die Reaktion des Nostocalen Biovolumens und der N₂-Fixierung auf variierende N-Zugaben: Hierfür wurde ein weiteres Experiment mit Wasser aus dem LAN durchgeführt. Während bei niedrigen und mittleren Lichtintensitäten eine Verringerung der N-Zugabe kein Effekt auf das Nostocales Biovolumen hatte, führte sie bei hohen Lichtintensitäten zu einem Anstieg des Biovolumens. Mit steigender Lichtintensität nahm der Anstieg der N₂-Fixierung in Folge der Reduktion der N-Zugabe zu. Das zeigte, dass Nostocales von ihrem Vorteil der N₂-Fixierung hauptsächlich bei hohen Lichtintensitäten profitieren. KW - N₂-fixation KW - Nostocales KW - Nitrogen limitation KW - Lake KW - Stickstofffixierung KW - Nostocales KW - Stickstofflimitation KW - See KW - Nostocales KW - See KW - Stickstofffixierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42886 ER -