| dc.contributor.advisor | Thiel, Volker Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Zeman-Kuhnert, Sebastian | |
| dc.date.accessioned | 2022-11-09T15:47:41Z | |
| dc.date.available | 2022-11-16T00:50:11Z | |
| dc.date.issued | 2022-11-09 | |
| dc.identifier.uri | http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/14330 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9532 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 910 | de |
| dc.subject.ddc | 550 | de |
| dc.title | Use of selected anthropogenic pesticides, nutrients, and biomarkers to spatially and temporally characterize eutrophication dynamics at a shallow lake (Lake Seeburg) | de |
| dc.type | cumulativeThesis | de |
| dc.contributor.referee | Thiel, Volker Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2022-08-23 | de |
| dc.description.abstractger | Eutrophierung von Gewässern verursacht durch hohe Nährstoffeinträge, insbesondere durch Phosphor, stellt ein globales Problem für verschiedenste Ökosysteme dar. Um dieses Problem zu erfassen, werden seit Jahrzehnten diverse Monitoringkonzepte an unterschiedlichsten Gewässern weltweit angewendet. Dabei steht die räumliche Erfassung von Nährstoffeinträgen, überwiegend von allochthonen Einträgen, im Vordergrund. Die zeitliche Erfassung von Einträgen wird allerdings nur selten berücksichtigt. Dazu zählen mögliche Schwankungen von Nährstoffeinträgen innerhalb der Jahreszeiten oder durch Extremwetterereignisse. Zusätzlich können eutrophierungsrelevante Informationen über die Vergangenheit nützlich sein, um rückwirkend langfristige Veränderungen der Organismenzusammensetzung in Gewässern zu charakterisieren und so zu rekonstruieren, wie der derzeitige eutrophe Zustand entstanden ist. Erst nach Berücksichtigung dieser Komponenten können Seesysteme hinreichend verstanden werden. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, durch die Nutzung unterschiedlicher Substanzklassen verschiedene Ansätze zur besseren räumlichen und besonders zeitlichen Charakterisierung von eutrophierungsrelevanten Seedynamiken zu erarbeiten. Dazu wurden in drei verschiedenen Studien Pflanzenschutzmittel (mittels UPLC-MS/MS), bioverfügbare Nährstoffe (mittels IC und Photometrie) und Biomarker (mittels GC-MS) am flachen (<4 m), eutrophen Seeburger See in Südniedersachsen in einem Zeitraum von 1-3 Jahren untersucht.
In der ersten Studie (Warner et al., 2021) wurden Pflanzenschutzmittel mit ihren Metaboliten und ausgewählte Nährstoffe über ein Jahr monatlich untersucht, um anhand der räumlichen und zeitlichen Eintragsmuster Vorschläge für Verbesserungen in gängigen Gewässermonitoringstrategien geben zu können. Dafür wurden zwei verschiedene Gruppen von Pestiziden betrachtet. Zum einen Pestizide, die in den letzten Jahrzehnten in großen Mengen eingesetzt wurden, heute aber nicht mehr eingesetzt werden (z.B. das Rübenherbizid Chloridazon mit seinen Abbauprodukten), zum anderen solche, die heute noch weit verbreitet sind (z.B. das selektive Vorlaufherbizid Metazachlor). Die erstgenannte Pestizidgruppe zeigt, zusammen mit Nitrat, einen relativ konstanten Eintrag in die angrenzenden Gewässer über das gesamte Jahr. Die Ergebnisse legen nahe, dass sie in großer Menge im Boden gespeichert sind und, obwohl sie nicht mehr eingesetzt werden, langsam über Jahre hinweg ausgewaschen werden. Die Pestizide der zweiten Gruppe zeigen, zusammen mit gelöstem reaktivem Phosphat (SRP), eine starke Saisonalität. Ihr maximaler Eintrag in die umliegenden Gewässer ist bereits kurz nach dem Ausbringen sichtbar, was auf eine schnelle Auswaschung durch Niederschläge hindeutet. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen den unerwünschten Eintrag von Pestiziden in umliegende Gewässer, besonders nach Regenereignissen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass gezieltere Probenahmen einerseits Ressourcen sparen, andererseits durch eine bessere Erfassung räumlicher und zeitlicher Belastungshotspots erfolgreichere Sanierungseingriffe möglich sind.
Die zweite Studie (Zeman-Kuhnert et al., 2022) befasste sich mit dem Einfluss von Extremwetterereignissen auf die Nährstoffdynamiken und Cyanobakterienblütenzusammensetzung im Seeburger See. Dazu wurden eutrophierungsrelevante Parameter (Wassertemperatur, Nitrat, Ammonium, Nitrit und SRP) über drei Jahre (2017-2019) monatlich im Seewasser untersucht und mit monatlichen SRP-Messungen im Porenwasser des Sediments über ein Jahr (2018) ergänzt. Nach einem dreitägigen Starkregenereignis im Juli 2017 liefen anoxische Wässer mit hohen SRP-Gehalten vom flussaufwärts gelegenen, überschwemmten Feuchtgebiet in den See. Dieser außergewöhnlich hohe allochthone Nährstoffeintrag führte zwar zu einer relativ kurzen (≈3 Wochen) aber sehr intensiven und monospezifischen Cyanobakterienblüte. Im trockenen und heißen Sommer 2018 führten u.a. hohe Wassertemperaturen zu einer starken internen SRP-Rücklösung aus dem Sediment, welche die längste zu beobachtende Cyanobakterienblüte (≈3 Monaten) herbeiführte. Die Ergebnisse dieser Studie offenbaren die hohen internen bzw. externen Nährstoffeinträge und den starken Diversitätsverlust nach Wetterextremen. Trotz ihrer ähnlichen negativen Auswirkungen sind die Ursachen der Cyanobakterienblüten grundverschieden und müssen daher in Sanierungskonzepten unterschiedlich angegangen werden.
In der dritten Studie (Zeman-Kuhnert et al., liegt als Manuskript vor) wurden phytoplanktonbezogene Biomarker, die für allochthone und autochthone Organismengruppen repräsentativ sind, auf ihr Vorhandensein und ihre Erhaltungsfähigkeit im Seewasser sowie auf ihren Transfer in das Oberflächensediment untersucht. Übergeordnetes Ziel war es zu untersuchen, ob bestimmte Biomarker zur Rekonstruktion der Eutrophierungsgeschichte eines Sees verwendet werden können. Dazu wurden in einem ersten Schritt 26 Biomarker mittels Hauptkomponentenanalyse (PCA) in 5 Gruppen mit jeweils ähnlichen Eigenschaften zusammengefasst: (I) Biomarker, die über den Zufluss eingeleitet werden, (II) im See von Eukaryoten oder (III) Bakterien gebildet werden, (IV) sich im Oberflächensediment anreichern sowie (V) ungesättigte C27 bis C29 Stenole mit ihren gesättigten Abbauprodukten (C27 bis C29 Stanole), die hauptsächlich im Seewasser und im Sediment vorhanden sind. Das Verhalten und die saisonale Verteilung der letztgenannten Stenole zeigten Indizien für eine Nutzung als qualitativer Eutrophierungsanzeiger, weshalb sie zusätzlich an zwei Sedimentkernen gemessen wurden, um den Eutrophierungsverlauf des Sees zu rekonstruieren. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die autochthon gebildeten C27 und die allochthon gebildeten C29 Stenole, einschließlich ihrer Abbauproduke, mit der Sedimenttiefe gegenläufig verhalten (höchste C27 zu C29 Verhältnisse an der Oberfläche, geringste in der Tiefe) und sich daher eignen, den historischen Eutrophierungstrend qualitativ zu rekonstruieren.
Alles in allem liefern die Ergebnisse dieser Doktorarbeit weiterführende Erkenntnisse in Bezug auf eine genauere Charakterisierung der gesamten eutrophierungsrelevanten Seedynamiken. Für ein besseres Verständnis müssen potentielle räumliche und zeitliche Belastungshotspots (sei es aufgrund konstanter aber auch kurzfristiger Einträge, z.B. nach Starkregenereignissen) ausfindig gemacht werden. Informationen darüber, wie sich die Eutrophierung in der Vergangenheit entwickelt hat, können ebenfalls für ein besseres Gesamtverständnis nützlich sein. Durch die Auswirkungen des Klimawandels (Temperaturanstieg, steigende Extremwetterereignisse etc.) und der wachsenden Weltbevölkerung, wird es in Zukunft immer notwendiger werden, die Auswirkungen und Veränderung auf Gewässer noch detaillierter zu erfassen, um deren Folgen besser abschätzen und angepasste Maßnahmen entwickeln zu können. | de |
| dc.description.abstracteng | Eutrophication of water bodies caused by high nutrient inputs, especially of phosphorus, is a global concern for a wide variety of ecosystems. To assess this problem, different monitoring approaches have been applied to a variety of water bodies worldwide. Its main focus is on the spatial monitoring of nutrient inputs, predominantly on allochthonous inputs. In contrast, the temporal monitoring of inputs is rarely considered. This includes possible variations of nutrient inputs within the seasons or due to extreme weather events. In addition, information on past eutrophication can be useful for retrospectively characterizing long-term changes in the organism composition of water bodies and reconstructing how the current eutrophic status arose. Lake systems can only be adequately understood when these factors are considered. The primary objective of this work is to develop different approaches for a better spatial and especially temporal characterization of eutrophication-relevant lake dynamics by using different substance classes. To this end, pesticides (using UPLC-MS/MS), bioavailable nutrients (using IC and photometry) and biomarkers (using GC-MS) were investigated in three different studies at the shallow (<4 m), eutrophic Lake Seeburg in southern Lower Saxony over a period of 1-3 years.
In the first study (Warner et al., 2021), pesticides with their metabolites and selected nutrients were analyzed monthly for one year, to suggest improvements in current monitoring strategies based on spatial and temporal input patterns. Two different groups of pesticides were tested. The first group consisted of pesticides that have been used in large quantities in recent decades but are no longer allowed to be used today (e.g., the beet herbicide chloridazon and its degradation products). The second group consisted of pesticides that are still widely used today (e.g., the selective pre-emergence herbicide metazachlor). The pesticides of the first group, along with nitrate, show a relatively constant input into adjacent waters throughout the year. The results indicate that they are stored in large quantities in the soil and, although no longer applied, are slowly leached out over years. The pesticides of the second group, as well as dissolved reactive phosphate (SRP), show a strong seasonality. Their maximum input into surrounding waters occurs shortly after application, which indicates rapid leaching by precipitation. The results of this study confirm the undesired input of pesticides into surrounding waters, especially after rain events. In addition, it has been demonstrated that more targeted sampling not only saves costs, but also allows for more successful remediation efforts due to better detection of spatial and temporal pollution hotspots.
The second study (Zeman-Kuhnert et al., 2022) focused on the effects of extreme weather events on the nutrient dynamics and cyanobacterial bloom composition in Lake Seeburg. Eutrophication-relevant parameters (water temperature, nitrate, ammonium, nitrite, and SRP) were studied monthly in the lake for three years (2017-2019) and supported with monthly SRP measurements in the sediment pore water for one year (2018). Following a three-day heavy rain event in July 2017, anoxic waters with high SRP levels entered the lake from the upstream flooded wetland. This exceptionally high allochthonous nutrient input resulted in a relatively short (≈3 weeks) but very intense and monospecific cyanobacterial bloom. During the hot and dry summer of 2018, strong internal SRP redissolutions from the sediment resulted in the longest (≈3 month) observed cyanobacterial bloom. The results of this study reveal high internal and external nutrient inputs and a severe loss of microorganism diversity following weather extremes. Despite similar negative impacts, the causes of cyanobacterial blooms are fundamentally diverse and thus must be considered differently in remediation strategies.
In the third study (Zeman-Kuhnert et al., to be submitted), phytoplankton-related biomarkers, representative of allochthonous and autochthonous organism groups, were evaluated for their presence and conservation ability in the lake water and their transfer to the surface sediment. The primary objective was to study whether certain biomarkers can be used to reconstruct the eutrophication history of a lake. 26 biomarkers were clustered into 5 groups with similar characteristics using principal component analysis (PCA): (I) biomarkers discharged via the inflow, formed in the lake by (II) eukaryotes or (III) bacteria, (IV) compounds accumulating in the surface sediment, and (V) unsaturated C27 to C29 stenols with their saturated degradation products (C27 to C29 stanols) mainly present in lake water and sediment. The characteristics and seasonal distribution of the stenols showed potential to be used as a sedimentary eutrophication indicator. Therefore, they were additionally measured on two sediment cores to reconstruct the eutrophication history of the lake. The results show that autochthonously formed C27 and allochthonously formed C29 stenols, including their degradation products, contrast with sediment depth (highest C27 to C29 ratios at the surface, lowest with depth) and are thus considered as suitable biomarkers to qualitatively reconstruct the historical eutrophication trend.
In summary, the results of this thesis provide further insights with regard to a more precise characterization of the overall lake dynamics relevant to eutrophication. Potential spatial and temporal pollution hotspots (whether due to constant or short-term inputs) need to be identified. Information on how eutrophication has evolved in the past may also be useful for a better overall understanding of the process. Due to the consequences of climate change and the growing world population, it will become increasingly important in the future to identify potential impacts and changes on water bodies in order to better assess their consequences and to develop adapted measures. | de |
| dc.contributor.coReferee | Heim, Christine Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | pesticides | de |
| dc.subject.eng | biomarker | de |
| dc.subject.eng | eutrophication | de |
| dc.subject.eng | shallow lake | de |
| dc.subject.eng | cyanobacterial blooms | de |
| dc.subject.eng | nutrient dynamics | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-ediss-14330-0 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Geowissenschaften und Geographie | de |
| dc.subject.gokfull | Hydrologie (PPN613605179) | de |
| dc.description.embargoed | 2022-11-16 | de |
| dc.identifier.ppn | 1821399544 | |
| dc.notes.confirmationsent | Confirmation sent 2022-11-10T06:15:01 | de |