Skalierung von biochemischen und hydraulischen Einflüssen auf die Nitrataufnahme und Denitrifizierung in Fließgewässern

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Lorke; Professor Dr. Michael Rode
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538042399

Die Stickstoffbelastung der Gewässer ist eine globale Bedrohung für die Meeres- und Süßwasserökosysteme. Aktuelle Schätzungen deuten darauf hin, dass etwa 13% aller landbasierten Nitratquellen, von denen 52% anthropogenen Ursprungs sind, durch Denitrifikation in Fließgewässern in atmosphärischen Stickstoff umgewandelt werden. Obwohl die Fähigkeit von Gewässerökosystemen Nährstoffe aus der Wassersäule zu entfernen, gut dokumentiert ist, stammen die meisten vorhandenen Felddaten aus kleinen Bächen. Die Extrapolation auf Flusssysteme und größerskalige Schätzungen zur Nitratentretention in Fließgewässern basieren auf Skalierungsbeziehungen, deren mechanistische Grundlage kaum verstanden wird und für die eine experimentelle Validierung weitgehend fehlt. Hierzu planen wir die physikalischen Prozesse zu untersuchen, die die Nitrataufnahme in Bächen und Flüssen steuern. Wir gehen von der Hypothese aus, dass für anthropogen beeinflusste Fließgewässer und ihre Nitratkonzentrationen die effektive biogeochemische Reaktionsrate für die Nitratretention sowohl von der Gewässertiefe, als auch von der morphologischen Komplexität des Gewässers abhängt. Erhöhte Rauhigkeit des Flussbettes und der Ufer fördert einen erhöhten turbulenten Transport durch die Grenzschicht an der Gewässersohle, verbessert den hyporheischen Austausch und führt zu höheren Denitrifikationsraten in morphologisch komplexen Gewässerabschnitten im Vergleich zu gleichförmigen Gewässerbereichen. Wir werden diese Hypothese zum ersten Mal im Freiland validieren, indem wir Messungen von Nitratumsätzen im Gewässer und dessen Interstitial mit detaillierten Messungen zur Gewässermorphologie und des turbulenten Strömungsfeldes kombinieren. Die Anwendung neu verfügbarer Messinstrumente und -technologien, einschließlich des Hyporheic Flux Meters, autonome Sensoren und Laser-Scanning, ermöglicht eine neue Qualität für die integrale Erfassung von Stoffflüssen und Umsätzen in Fließgewässern. Die aus den neuartigen Messungen abgeleiteten Erkenntnisse werden genutzt, um mechanistische Beziehungen zwischen physikalischen Transportprozessen und Nitratumsätzen im Wasser und im Sediment von Fließgewässern zu ermitteln. Sie tragen potentiell zur Verbesserung von Gewässermanagement und Renaturierungsmaßnahmen bei und ermöglichen verbesserte Abschätzungen von Nitratumsätzen in größeren Flussgebieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen