Projekt COSA od strony naukowej

Opis

Projekt COSA został zainicjowany, aby uzyskać jak najobszerniejszą wiedzę o procesach biogeochemicznych zachodzących w ekosystemach piaszczystych. Aby tego dokonać, przy projekcie współpracują ściśle naukowcy z kilku dziedzin (takich jak biologia, geochemia, hydrodynamika), zajmujący się różnymi procesami przebiegającymi w osadach. Poniżej przedstawiamy krótki opis procesów badanych w trakcie trwania projektu.

Dotychczasowa liczba szczegółowych badań dotyczących biochemii osadów piaszczystych jest stosunkowo niewielka, znaczna większość badań procesów zachodzących przy dnie dotyczyła kohezyjnych osadów mulistych.

Zasadniczą cechą osadów piaszczystych jest ich przepuszczalność, co oznacza, iż woda może przepływać przez przestrzenie interstycjalne (przestrzenie między ziarnami piasku). Odchylanie przydennych prądów wody (powodowanych przez pływy, wiatr lub falowanie) przez ukształtowane różnorako dno (kamienie, powierzchniowe zmarszczki, kopce wzniesione przez zwierzęta itp.) tworzy poziomy gradient ciśnieniowy na powierzchni osadów, który prowadzi do adwektywnego przepływu wody przez osad (Savant et al. 1987, Thibodeaux & Boyle 1987).

Napływ wody przydennej oraz uwalnianie wody porowej zostało zademonstrowane w eksperymentalnym kanale przepływowym przez zabarwienie wód porowych barwnikiem rodaminowym (animation, 12,5 MB). Do tej pory pomiary in-situ tempa adwekcji wód porowych były rzadkie, niemniej zmierzono przepłukiwanie z szybkością 5-590 L m^-2 d^-1 (Precht & Huettel 2003, 2004).

Procesy adwekcyjne mogą mieć znaczący wpływ na procesy sedymentacyjne. Osady piaszczyste mogą więc być niepowtarzalnym środowiskiem, różniącym się znacznie od bliżej poznanych osadów kohezyjnych (Huettel i in. 2003).

Jedną z najbardziej uderzających cech piasków jest to, że osady te mogą sprawnie wyłapywać cząstki z kolumny wody naddennej, umożliwiając w ten sposób sprawne dostarczanie nietrwałej materii organicznej do osadu (Huettel & Rusch 2000). Przepłukiwanie adwekcyjne osadu ma także ważne konsekwencje dla dynamiki tlenu, co zostało graficznie zilustrowane (Precht et al. 2004, zobacz: http://aslo.org/lo/toc/vol_49/issue_3/0693.pdf) przy użyciu płaszczyznowych optodów tlenowych.

Po pierwsze, prowadzi do zwiększonego transportu tlenu do osadu, najprawdopodobniej wpływając na zasięg i tempo rozkładu materii organicznej w osadach morskich (Kristensen i in. 1995, Hulthe i in. 1998, Dauwe i in. 2001).

Po drugie, wprowadza tlen do osadu w bardzo szybko zmieniających się skalach przestrzennych. Prowadzi to do gwałtownych zmian warunków tlenowych i beztlenowych, co jak wiadomo zwiększa metaboliczną aktywność osadów (Aller & Aller 1998) oraz potencjalnie prowadzi do mocnego połączenia między niezbędnymi procesami aerobowymi i anaerobowymi takimi jak nitryfikacja i denitryfikacja.

Więcej informacji: Markus Huettel.

Projekt

Podczas, gdy wielki postęp został osiągnięty w zrozumieniu procesów filtracyjnych osadów piaszczystych, nadal jednak nie miały miejsca żadne zintegrowane badania terenowe pod tym kątem. Projekt COSA wykorzystuje najnowsze technologie i metody do dalszego zrozumienia osadów piaszczystych. Kluczowe aspekty projektu obejmują:

• Badania procesów wymiany bentosowej
  Badania procesów wymiany bentosu (mierzone parametry włączają pomiary O₂, CO₂, N₂ i rozpuszczone składniki pokarmowe) skupione są na użyciu bentosowych komór zaprojektowanych dla osadów przepuszczalnych jak opisano (Huettel & Gust 1992 oraz Janssen i in. w Press L+O) (zobacz: http://aslo.org/lo/toc/vol_50/issue_3/). Komory te zostały skalibrowane, aby wytworzyć nad osadem zdefiniowany gradient ciśnieniowy w skali naśladującej najbardziej prawdopodobne jego występowanie in-situ i w ten sposób naśladujące tempo przepłukiwania adwekcyjnego prawdopodobne do zaobserwowania w terenie.

  
  

  Schematyczny plan komory bentosowej użytej w COSA, ilustrujący gradient ciśnieniowy wywołany nad osadem (czerwona linia) oraz następujący adwekcyjny przepływ wody indukowany przez przepuszczalne osady. Ten przepływ imituje przepływ napotykany w naturalnych warunkach.
  
  
  Inne, będące przedmiotem zainteresowania, biogeochemiczne procesy dotyczą reakcji okrzemek na światło, beztlenowej oksydacji amoniaku, tempa redukcji siarczanów, rozprowadzania Fe i Mn, potencjalnego tempa re-oksydacji zredukowanych związków. Więcej informacji: Perran Cook.
• Zintegrowane pomiary topografii osadu i przepływu wód porowych.
  Adwekcyjne przepłukiwanie wód porowych jest uzależnione od topografii osadu, prądów i przepuszczalności osadu. W badaniach zastosowano nowy instrument pomiarowy (Lance a Lot), który może równocześnie mierzyć topografię osadu i przepływ wód porowych, wspierając zrozumienie wielkości i czynników kontrolujących in-situ.
  Więcej informacji: Felix Janssen.

• Mikrosensory in-situ
  Mikroprofile in-situ i obrazy z optodu płaszczyznowego okazały się cennym narzędziem w badaniach rozprzestrzeniania się mieszanin w osadach kohezyjnych, co znacznie polepszyło zrozumienie działania tych systemów (Glud et al. 2003, Wenzhöfer & Glud 2004). Niemniej jednak mikrosensory i optody płaszczyznowe rzadko były używane w osadach piaszczystych. Podczas projektu COSA wykorzystujemy obie metody do pomiaru czasowych i przestrzennych dynamik O₂ i H₂S in-situ.
  Więcej informacji: Frank Wenzhöfer.
• Eksperymenty "wychwytywania impulsów" i odwrotna analiza struktur troficznych.
  Eksperymenty "wychwytywania impulsów" wykorzystują trwałe izotopy C i N (dodane w formie H¹³CO₃- i ¹⁵NO₃- zapewniają przekonywujące sposoby objaśniania przepływów tych elementów przez bentosową sieć pokarmową (Herman et al. 2000, Middelburg et al. 2000). W projekcie COSA wykorzystuje się taką metodę w połączeniu z technikami odwróconego modelowania, aby zgłębić przepływy węgla i azotu w tych systemach.
  Więcej informacji: Jack Middelburg.
• Modelowanie biogeochemiczne
  Modelowanie biogeochemiczne procesów zachodzących w kohezyjnych osadach to obecnie szeroko stosowane podejście, które ma pomóc zrozumieć te systemy (Soetaert et al. 2001, Wijsman et al. 2002). Jednakże modelowanie biogeochemiczne w przepuszczalnych osadach jak dotychczas nie było podejmowane. W projekcie COSA, istniejące modele diagenezy zostały rozciągnięte do dwóch wymiarów. Adwekcja wód porowych została zaliczona do głównych mechanizmów transportu w górnych warstwach. Kody programowe są dostępne na stronie: http://www.nioo.knaw.nl/homepages/meysman/media.htm
  Więcej informacji: Jack Middelburg.
• Cykliczne pomiary kluczowych parametrów
  Na obu obszarach badawczych projektu COSA są realizowane cykliczne pomiary wskaźnikowych fizycznych i biologicznych czynników. Mierzone dane obejmują przepuszczalność osadu, porowatość, profile składników pokarmowych wód porowych, bentosową wymianę składników pokarmowych, produkcję pierwotną bentosu i kolumny wody, chlorofil osadu i kolumny wody.
  Więcej informacji ad. obszaru badawczego na Sylcie: Justus van Beusekom ,i dot. obszaru badawczego na Helu: Lech Kotwicki.
• Liczebność, różnorodność i funkcje flory i fauny osadu
  Kluczowe znaczenie dla procesów opisanych wyżej ma różnorodność i liczebność bentosowej flory i fauny na każdym z obszarów badawczych. Szczegółowa analiza występowania i liczebności gatunków w każdym z miejsc badawczych jest prowadzona jednocześnie z pozostałymi pomiarami badawczymi. Co więcej, doświadczenia są prowadzone tak, aby objaśnić relatywne znaczenie bioturbacji i bioirygacji w odniesieniu do transportu wód porowych.
  Więcej informacji: Lech Kotwicki.

Bibliografia:

Dauwe B, Middelburg JJ, Herman PMJ (2001) Effect of oxygen on the degradability of organic matter in subtidal and intertidal sediments of the North Sea area. Mar Ecol-Prog Ser 215:13-22

Glud RN, Gundersen JK, Roy H, Jorgensen BB (2003) Seasonal dynamics of benthic O₂ uptake in a semienclosed bay: Importance of diffusion and faunal activity. Limnol Oceanogr 48:1265-1276

Herman PMJ, Middelburg JJ, Widdows J, Lucas CH, Heip CHR (2000) Stable isotopes as trophic tracers: combining field sampling and manipulative labelling of food resources for macrobenthos. Mar Ecol-Prog Ser 204:79-92

Huettel M, Gust G (1992) Solute release mechanisms from confined sediment cores in stirred benthic chambers and flume flows. Marine Ecology Progress Series 82:187-197

Huettel M, Roy H, Precht E, Ehrenhauss S (2003) Hydrodynamical impact on biogeochemical processes in aquatic sediments. Hydrobiologia 494:231-236

Huettel M, Rusch A (2000) Transport and degradation of phytoplankton in permeable sediment. Limnol Oceanogr 45:534-549

Hulthe G, Hulth S, Hall POJ (1998) Effect of oxygen on degradation rate of refractory and labile organic matter in continental margin sediments. Geochim Cosmochim Acta 62:1319-1328

Kristensen E, Ahmed SI, Devol AH (1995) Aerobic and anaerobic decomposition of organic matter in marine sediment: Which is fastest? Limnol Oceanogr 40:1430-1437

Middelburg JJ, Barranguet C, Boschker HTS, Herman PMJ, Moens T, Heip CHR (2000) The fate of intertidal microphytobenthos carbon: an in situ ¹³C-labeling study. Limnol Oceanogr 45:1224-1234

Precht E, Franke U, Polerecky L, Huettel M (2004) Oxygen dynamics in permeable sediments with wave-driven porewater exchange. Limnol Oceanogr 49:693-705

Precht E, Huettel M (2003) Advective pore-water exchange driven by surface gravity waves and its ecological implications. Limnol Oceanogr 48:1674-1684

Precht E, Huettel M (2004) Rapid wave driven porewater exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res 51:93-107

Savant SA, Reible DD, Thibodeaux LJ (1987) Convective transport within stable river sediments. Water Resour Res 23:1763-1768

Soetaert K, Herman PMJ, Middelburg JJ, Heip C, Smith CL, Tett P, Wild-Allen K (2001) Numerical modelling of the shelf break ecosystem: reproducing benthic and pelagic measurements. Deep-Sea Res Part II-Top Stud Oceanogr 48:3141-3177

Thibodeaux LJ, Boyle JD (1987) Bedform-generated convective transport in bottom sediment. Nature 325:341-343

Wenzhöfer F, Glud RN (2004) Small-scale spatial and temporal variability in coastal benthic O₂ dynamics: Effects of faunal activity. Limnol Oceanogr 49:1471-1481

Wijsman JWM, Herman PMJ, Middelburg JJ, Soetaert K (2002) A model for early diagenetic processes in sediments of the continental shelf of the Black Sea. Estuar Coast Shelf Sci 54:403-421