The sea surface microlayer (SML) is the boundary layer on top of all oceans and is crucial for all exchange processes between the ocean and atmosphere. This less than 1 mm thick layer is heavily influenced by biological processes and events like algal blooms. To quantify the influence of an algal bloom in a controlled environment, we conducted a mesocosm study at the Sea sURface Facility (SURF) of the Institute for Chemistry and Biology of the Marine Environment (ICBM) in Wilhelmshaven, Germany (53.5148 °N, 8.1463°E). SURF is an 8.5 m long, 2 m wide and 1 m deep water basin, which can directly be filled with seawater from the Jade Bay, North Sea. The facility is equipped with a retractable roof, pumps for water circulation and dedicated mounts for multiple sensor systems. The mesocosm experiment was conducted from 18 May to 16 June 2023 as part of the project BASS (Biogeochemical processes and Air-sea exchange in the Sea-Surface microlayer). SURF was filled with seawater a few days before the start of the experiment (water depth 0.7 m). The water was then filtered and the surface skimmed to remove initial pollution. To prevent particle and microbial sedimentation during the experiment, the pumps operated at low speed to maintain gentle mixing of the water column. The roof of SURF was closed during the night, while it was open during the day except when it rained. To induce an algal bloom, a mix of nutrients (nitrogen, phosphorus and silicate) was added on 26 May, 30 May and 01 June. Based on the chlorophyll measurements which show the development of the bloom, three phases of the experiment were determined: the pre-bloom phase (18 May to 26 May), the bloom phase (27 May to 04 June) and the post-bloom phase (05 June to 16 June). Several physical, chemical and biological parameters were measured, which will be published in other datasets.
To evaluate the impact of the algal bloom within the SML, oxygen concentration, pH, and temperature were measured in situ using microsensors (UNISENSE, Denmark) mounted on a MicroProfiling System (UNISENSE, Denmark). With this setup, direct in situ measurements inside both the thermal boundary layer and diffusion boundary layer at the sea surface can be made. One oxygen microsensor, two pH microsensors and three temperature microsensors were mounted on the microprofiler with their tips pointing upward to avoid disturbance in the SML. They were positioned a few centimeters apart. The microprofiler was used to automatically move the sensors down, from the air through the SML and into the underlying water over a total distance of 10 000 µm in steps of 125 µm (250 µm at the start of the experiment). At each depth, the sensors stayed for about 10 s, giving a mean value and a standard deviation over that time. Three of these measurements were taken at every depth before the sensor moved down to the next step. After completing a profile, the microprofiler returned to its initial position with the tips in the air to start the next profile. The resulting profiles mostly took between 40 to 50 minutes. These profiles were conducted continuously during day and night, except for small breaks to clean and if needed replace or readjust the sensors and recalibrate the pH sensors. The sensors' height required manual adjustment to position the tip precisely at the water surface (0 µm). Through this manual adjustment, small inaccuracies may occur. As a result, the sensor depth readings form the microprofiler system may not reflect the true sensor position, which can also vary between the sensors. The true sensor positions can later be obtained by analysing the measured profiles.
Die neu entwickelte handliche Sensortechnik ist in der Lage, ausgewählte Substanzen in Gegenwart von Luft oder Wasser in geringen Konzentrationen schnell vor Ort nachzuweisen. Der mobile Einsatz wird durch die Miniaturisierung der Systeme ermöglicht. Lösliche organische Oligomere und Polymere werden synthetisiert und nach einem patentierten Herstellungsverfahren mit Hilfe von Nanotechnologie in Mustern als dünne Schichten auf Elektrodenmaterial aufgebracht. Zuvor durchgeführte Molecular Modeling Berechnungen der Sensorschichten geben Hinweise über geeignete Sensormaterialien. Entgegen einem herkömmlichen empirischen Ansatz für die Konstruktion von Sensoroberflächen, wird eine zuvor kalkulierte Analyt/Rezeptor-Wechselwirkung in die Praxis umgesetzt. In einigen praktischen Beispielen konnte die entwickelte Sensortechnik ihre Funktionsfähigkeit und Robustheit in kontinuierlichen Messverfahren zeigen. Die Messsignalerfassung stellt hohe Ansprüche an die Elektronik des Messgerätes. Eine Vielzahl von Detailverbesserung führte zu einem leicht handhabbaren Messgerät. Durch Verwendung von Mikrosystemtechnik konnten alle Bauteile des Messsystems in einem Gerät untergebracht werden.
Etablierte Methoden zur Bestimmung der nitrifikationshemmenden Wirkung von Abwässern haben den Nachteil, dass sie zeitintensiv, apparativ sowie personell aufwendig und damit teuer in der Durchführung sind. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Entwicklung eines markttauglichen Mehrkanalmessgerätes auf der Basis von miniaturisierten Biosensoren. Mit Hilfe dieses Messgerätes soll die Quantifizierung der Nitrifikationshemmung innerhalb von nur wenigen Stunden ermöglicht werden, was vor allem bei einem hohen Probenaufkommen besonders von Vorteil ist. Durch die verkürzte Untersuchungsdauer kann der Kläranlagenbetreiber frühzeitig regulierende Maßnahmen auf der Anlage einleiten. Zu Projektbeginn erfolgte am ITB die Optimierung und Herstellung von Sauerstoffdickschichtelektroden. Die Entwicklung der Mehrkanal-Versuchsanlage, in die die miniaturisierten Elektroden eingebaut werden, erfolgte parallel bei der EON. Im anschließenden Projektteil wurden Untersuchungen zur Optimierung der Immobilisierung von Nitrifikanten auf den Elektroden durchgeführt. Getestet wurden unterschiedliche Mengen an Biomasse sowie verschiedene Immobilisierungsmatrizes. Die Untersuchung der Eigenschaften der Biosensoren, wie die mechanische Stabilität der Elektroden, die Konzentrationsabhängigkeit und Reproduzierbarkeit der Biosensorsignale, Signaldynamik, Signalstabilität, Regenerationsfähigkeit und Lagerungsstabilität wurden mit der Versuchsanlage der EON durchgeführt. Die Bestimmung dieser Sensorparameter erfolgte zunächst anhand von Untersuchungen mit Nitrifikationssubstraten. Anschließend wurden Untersuchungen mit Nitrifikationshemmstoffen (z. B. Allylthioharnstoff) vorgenommen. Als Projektschwerpunkt erfolgte schließlich am ISWA die Etablierung dieses Mehrkanalmesssystems für Routineuntersuchungen an künstlich hergestellten sowie an realen, hemmstoffhaltigen Abwasserproben. Durch Vergleich mit etablierten Verfahren wie z. B. der Methode nach DIN EN ISO 9509 wurde die Übertragbarkeit der mit dem Mehrkanalmesssystem ermittelten Werte auf die Kläranlagenpraxis überprüft.
Die Entwicklung kostenguenstiger, automatisierbarer Mikrosensoren zum quantitativen Nachweis von Herbiziden und weiteren die Photosynthese hemmenden Verbindungen gehoert zu den Schwerpunkten der Umweltanalyse. Der lichtinduzierte Ladungstransfer im Photosystem II (bzw seiner Bestandteile) fuehrt zu einer elektrochemisch nachweisbaren Ladungstrennung. Zur Entwicklung eines Messsystems wird die Beeinflussung des Elektronentransfers durch Schadstoffe ueber die photovoltaische Antwort quantitativ erfasst. Dazu sind Verfahren zu erarbeiten, die einen mehrfachen Einsatz des Sensorelements zur Messung ermoeglichen. Grundlegende Untersuchungen sind gerichtet auf die Verbesserung der Kopplung orientierter Photosystem II Partikel an leitfaehige Unterlagen sowie auf die quantitative und qualitative Charakterisierung des Elektronentransfers.
