Sedimentbeschaffenheit und Bakteriengehalt im Sediment eines zukünftigen Verklappungsgebietes von Industrieabwässern nordwestlich Helgolands

Abstract

The disposal of industrial wastes containing sulphuric acid and ferrous sulphate from a titanium oxide factory is scheduled to start early in 1969 within an area of 2.5 × 5 miles at a distance of 11.5 miles north west from Helgoland (German Bight, North Sea). At 7 stations of this area sediment investigations were made on cores taken with a Reineck box sampler. In September 1967 and March 1968 grain size, ignition loss, water content, redox potential, and numbers of heterotrophic bacteria in the sediment were analyzed. In parallel estimations of bacterial numbers a mean deviation from the mean value was found at the surface of one core (600 cm²) of 11%, at one Decca-position of 16%, and in the whole area investigated of 43%. Bacterial numbers amounted to 2.5 to 12.3 × 10⁶ per ml in September 1967, and 0.08 to 0.98 × 10⁶ in March 1968 in the upper two millimeters of the sediment. Ignition loss was less than 1% (0.2 to 0.8%). The sediment consisted of well sorted fine or medium sand. A small area of coarse sand with gravel probably showed the local influence of irregular bottom currents. A clay layer in 15 cm substrate depth indicated variations in sedimentation history. In September 1967, the new sand layer — found after the heavy gales in winter 1966/67 — was repopulated by macrofauna. The previous sediment surface was detected in about 10 cm substrate depth; it yielded a higher bacterial count. In September 1967, bacterial numbers at the sediment surface were 10 to 100 times higher than in March 1968, the organic content of the sediment remaining about the same. Correlations between bacterial numbers and increasing content of organic matter revealed a very slow increase of bacteria in spring, a rapid one in autumn. The planned disposal of industrial wastes will presumably not affect the benthos via poisonous actions, however sedimentation of the ferrous hydroxide could be dangerous. To study the formation and sedimentation of hydroxide particles, an experiment was carried out in the moving and aerated water of a “planktonkreisel”, a device for rearing plankton. The size of the hydroxide particles increases within a few days and grows bigger in turbulent than in nonturbulent water. In this experiment, a hydroxide layer led to a consolidation of the sand surface after one month (20° C). The biological consequences of such a consolidated layer for the mikro-, meio- and makrobenthos awaits further investigations.

Zusammenfassung

1. In einem zukünftigen Verklappungsgebiet schwefelsäure- und eisensulfathaltiger Industrieabwässer einer Titandioxidfabrik, das 11,5 sm nordwestlich Helgolands gelegen und 2,5 × 5 sm groß ist, wurden Untersuchungen der Sedimenteigenschaften und des Bakteriengehalts im Sediment durchgeführt. Auf 7 Stationen wurden an Kastengreifer-Sedimentkernen im September 1967 und März 1968 Korngrößenverteilung, Glühverlust, Wassergehalt, Redoxpotential und Keimzahl heterotropher Bakterien bestimmt (Tab. 1).

2. Bei Parallelbestimmungen der Bakterienkeimzahl in 600 cm² großen Flächenstücken im September fand sich eine mittlere Abweichung der Einzelbestimmungen vom Mittelwert mit 11%, bei Parallelproben auf gleicher Station mit 16%. Die natürliche Heterogenität besonders der Bakterienzahl ist so groß, daß erst Mittelwerte aus der Oberfläche großer Kastengreiferproben als repräsentativ angesprochen werden können.

3. Bakterienzahlen von 2,5 bis 12,3 × 10⁶ im September 1967 und 0,08 bis 0,98 × 10⁶ im März 1968 wurden in den obersten Millimetern des Sediments im ganzen Untersuchungsgebiet gefunden mit einer mittleren Abweichung vom Mittelwert von 43% im Herbst und 68% im Frühjahr. Der Glühverlust blieb stets unter 1% (0,2 bis 0,8%). Das Sediment bestand aus gut sortiertem mittelsandigem Feinsand oder feinsandigem Mittelsand. Isolierte, wahrscheinlich engbegrenzte Vorkommen von feinkiesigem Grobsand an der Oberfläche deuten auf die Wirkung von Bodenströmen, die ganz von den normalen Verhältnissen abweichen, hin. Veränderliche Sedimentationsbedingungen zeigt auch ein Schlickvorkommen in 15 cm Sedimenttiefe an.

4. Eine neuerliche Überschichtung des Sediments mit aufgewirbeltem Sand, wie sie im vorhergehenden Winter beobachtet wurde, ließ sich im Winter 1967/68 nicht feststellen. Die im Frühjahr 1967 erkennbare neue Sandschicht war im Herbst 1967 wieder reichlich mit Makrofauna besiedelt. Der Boden war bis in mindestens 7 cm Tiefe gut durchlüftet. Die alte Sedimentoberfläche war in etwa 10 cm Tiefe noch meist gut an der Dunkelfärbung zu erkennen und durch erhöhten Bakteriengehalt ausgezeichnet.

5. Auf gleichen Oberflächenstücken des Sediments wurden im Herbst (September) gegenüber dem Frühjahr (März) 10- bis 100fach höhere Bakterienzahlen gefunden bei ähnlicher Menge organischer Substanz. Bei teilweise guter Korrelation von Bakterienzahl mit organischer Substanz wurde im Frühjahr eine sehr geringe Zunahme der Bakterienzahl, im Herbst eine rasche Zunahme mit steigendem Gehalt des Sediments an organischer Substanz gefunden (Abb. 4).

6. Beim Einbringen der Industrieabwässer in das Untersuchungsgebiet ab 1969 interessiert für die mögliche Veränderung des Benthos weniger die Giftwirkung der Abwässer als vor allem die Sedimentation des gebildeten Eisenhydroxids. Ein dazu angestellter Versuch über Bildung und Sedimentation des Hydroxids im bewegten, durchlüfteten Wasser eines „Planktonkreisels“, eines Planktonzuchtgefäßes, gab Hinweise auf Größe und Sedimentierverhalten der Hydroxidflocken und die Verfestigung einer lockeren Sandoberfläche nach einem Monat durch die gealterte Hydroxidschicht, deren Auswirkung bedeutend sein könnte für Mikro-, Meio- und Makrobenthos, was aber noch der Untersuchung bedarf. Nach Beginn der Verklappung wird man besonders die Bodenmulden nicht nur im Verklappungsgebiet selbst, sondern auch im weiteren Umkreis davon auf Anreicherung von Eisenhydroxid untersuchen müssen.