MGF-Nordsee II - Ausschluss mobiler grundberührender Fischerei in marinen Schutzgebieten der Nordsee - Phase II; Teilprojekt 4: Sedimentdynamiken und raum-zeitliche Variabilität der Meio-, Endo- und Epifaunagemeinschaften im Sylter Außenriff und Borkum Riffgrund

Abstract

AP 1 Sedimentdynamik In der zweiten Phase von MGF-Nordsee standen zum einen die Fortsetzung der Zeitserie zur Morphodynamik in den beiden Schutzgebieten BRG und SAR im Vordergrund. Der zweite Schwerpunkt bestand in der logistisch sehr aufwendigen Durchführung von In situ-Schleppexperimenten im Nahfeld unseres benthischen Landers zur Ermittlung der direkten Auswirkung von bodenberührenden Schleppsystemen auf Morphologie und Sedimente am Meeresboden sowie die Auswirkungen aus die Suspensionsfracht in der Wassersäule. Die Auswertung der Zeitserie zeigt eine hohe lokale Dynamik von kleinskaligen Sediment-umlagerungen und Bodenformen, die durch die natürliche Hydrodynamik gesteuert wird. Ins-besondere Sturmereignisse führen zu Umlagerung der mobilen Sande, die sehr klar von den Hardsubstraten im Untergrund mit Hilfe der Hydroakustik unterscheidbar sind. Vor allen die Randbereiche im Übergang vom mobilen Sediment zum Hardsubstrat weisen die höchste Variabilität auf. Anthropogene Eingriffe in Form von bodenberührenden Schleppsystemen lassen sich in sandigen und gröberen Sedimenten nur kurzfristig nachweisen, das Erhaltungspotential liegt von unter zwei Wochen bis maximal zwei Monate in Abhängigkeit der hydrodynamischen Exponiertheit. Das belegen auch die Schleppexperimente um das Landersystem. Das durch die mechanische Einwirkung mobilisierte, resuspendierte Sediment verweilt ab der Sandfraktion nur wenige Augenblicke in der Wassersäule, die feineren Fraktionen konnten in den Suspensionsmessungen am nahen Umfeld stehenden Landersystem (< 100m) nur schwach nachgewiesen werden. Für das Monitorierung bedeutet das ein zeitlich großzügiges Intervall bei Messungen über größere Areale. Für die umfangreiche Auswertung der hydroakustischen Daten werden diese für das Trainieren einer KI-basierte Auswertesoftware genutzt, die im Rahmen im Nachbarprojekt CREATE in Sustainmare entwickelt wurde. Für kleinräumige Änderungen sind kleinskalige Messprogramme aus Sicht der Morpho- und Sedimentdynamik mit einem erheblichen logistischen Aufwand notwendig, um die kurzfristige Auswirkung von Schleppsystemen auf mobilen Sohlen und der temporären Suspension nachhaltig zu erfassen, da diese stark von der lokalen natürlichen Hydrodynamik überprägt wird. AP 2.1 Meiofauna Meiofauna-Gemeinschaften der Amrumbank und des Borkum-Riffgrundes wurden untersucht, um räumliche und saisonale Veränderungen der benthischen Biodiversität nach dem Ausschluss mobiler grundberührender Fischerei in Nordsee-Meeresschutzgebieten (MPAs) zu erfassen. Hierfür wurden Whole-Community-Metabarcoding, ergänzende morphologische Analysen sowie Sediment-eDNA kombiniert. Die Analysen zeigten hochdiverse Meiofauna-Gemeinschaften, die überwiegend von Nematoden und Copepoden dominiert wurden. Es konnten signifikante räumliche und saisonale Unterschiede zwischen Stationen, Jahreszeiten sowie zwischen MPA- und Referenzgebieten nachgewiesen werden. Darüber hinaus zeigte der Vergleich zwischen Amrumbank und Borkum-Riffgrund deutliche regionale Unterschiede in der Struktur der Meiofauna-Gemeinschaften. Der Vergleich zwischen Sediment-eDNA und Whole-Community-Metabarcoding zeigte deutliche Unterschiede in der taxonomischen Erfassung. Whole-Community-Metabarcoding erwies sich als deutlich effektiver zur Analyse der Meiofauna-Diversität und erreichte eine wesentlich höhere taxonomische Abdeckung über alle wichtigen Meiofauna-Gruppen hinweg. Das Projekt generierte wichtige Basisdaten für zukünftige Biodiversitätsmonitoringprogramme in Nordsee-MPAs und verdeutlichte das hohe Potenzial molekularer Ansätze für ein standardisiertes, nicht-invasives Monitoring benthischer Ökosysteme sowie ökologischer Veränderungen nach Fischereiausschlussmaßnahmen. AP 2.2 Makrozoobenthos Für die Durchführung des Ökosystemaren Untersuchungsansatzes fanden drei interdisziplinäre Schiffsexpeditionen mit FK „Senckenberg“ an vier ausgewählten Stationen auf der Amrumbank in 2023 statt. Zur Untersuchung der Makrozoobenthosgemeinschaften (AP 2.2) wurden an diesen Stationen Probennahmen mit 0,1 m2 van Veen Greifer, 2 m Baumkurre (250 m2 beprobte Fläche), Ringdredge und CTD-Sonde durchgeführt. Es wurden an den 4 Stationen und 3 Probennahmezeitpunkten insgesamt 294 Meiofaunaarten, 130 Endofauna und 36 Epifaunaarten gefunden. Die Meiofauna erzielte die höchste mittlere Artenzahl pro Probe mit maximal 138 Arten. Die Abundanz entspricht molekularen Reads. Die Endofaunagemeinschaften wiesen eine mittlere Artenzahl auf mit maximal 34 Arten pro Probe, die Epifaunagemeinschaften mit maximal 23 Arten pro Probe. Die mittlere Abundanz pro Probe wurde auch von den Meiofaunagemeinschaften(max. 27139 Ind. pro Porbe) dominiert, gefolgt von den Epifauna- (max. 5791 Ind. pro Probe)- und Endofaunagemeinschaften (max. 182 Ind. pro Probe). Die multivariaten Gemeinschaftsanalysen je taxonomischer Gruppe zeigen, dass die Ähnlichkeit (40%) der Meiofaunagemeinschaften an den Stationen R06 und R15 höher war als an den Stationen S11 und R18. Die Gruppierung der Stationen scheint mit der Sedimentzusammensetzung zu korrelieren. An den Stationen R06 und R15 wurden höhere Kiesgehalte gefunden, während an den Stationen S11 und R18 >98% Sandgehalt gefunden wurde. Die Analyse der Endofaunagemeinschaften zeigt, dass auf dem 40% Ähnlichkeitslevel alle Stationen von Oktober 2023 eine Unähnlichkeit aufweisen zu den Stationen von März und August 2023. Die Epifaunagemeinschaften gehören einer Grundgesamtheit an auf dem 40% Ähnlichkeitslevel. Es wird deutlich, dass die Ähnlichkeiten zwischen den Gemeinschaften primär von den Sedimentzusammensetzungen und durch jahreszeitliche Unterschiede beeinflusst werden und weniger von dem Ausschluss der Bodenschleppnetzfischerei, die allerdings erst im März 2023 eingestellt wurde. Effekte sind daher erst nach längerer Zeit zu erwarten. Analysiert man die Abundanzen aller drei Gemeinschaften in einer Gemeinschaftsnalyse, dann zeigt das Ergebnis, dass die Ähnlichkeiten zwischen den Gemeinschaften an den Stationen von der hohen Artenzahl und Abundnaz der Meiofauna und ihrer Korrelation mit sandigen bzw kiesigen Sedimenten dominiert wird. AP 1 Sediment dynamic: In the second phase of MGF-North Sea, the primary focus was, on the one hand, on continuing the time series on morphodynamics in the two protected areas, BRG and SAR. The second priority was the logistically very demanding implementation of in situ towing experiments in the near field of our benthic lander to determine the direct impact of bottom-contacting towing systems on seafloor morphology and sediments, as well as the effects on suspended sediment load in the water column. Analysis of the time series reveals high local dynamics of small-scale sediment transport and seabed topography, which are driven by natural hydrodynamics. Storm events, in particular, lead to the transport of mobile sands, which can be very clearly distinguished from the hard substrates beneath them using hydroacoustics.The transition zones between mobile sediment and hard substrate exhibit the highest variability. Anthropogenic disturbances caused by bottom-contacting dredging systems can only be detected for a short time in sandy and coarser sediments; the retention time ranges from less than two weeks to a maximum of two months, depending on hydrodynamic exposure. This is also confirmed by the dredging experiments conducted around the lander system. The sediment mobilized and resuspended by mechanical action—starting with the sand fraction—remains in the water column for only a few moments; The finer fractions were only weakly detected in the suspension measurements taken in the immediate vicinity of the lander system (<100 m). For monitoring purposes, this means a relatively long interval between measurements across larger areas. For the comprehensive analysis of the hydroacoustic data, the data is used to train AI-based analysis software developed as part of the neighboring CREATE project at Sustainmare. From the perspective of morphological and sediment dynamics, small-scale measurement programs are necessary to sustainably capture the short-term effects of dredging systems on mobile riverbeds and temporary suspension, as these are strongly influenced by local natural hydrodynamics. AP 2.1 Meiofauna: Meiofauna communities on the Amrum Bank and the Borkum Reef were studied to assess spatial and seasonal changes in benthic biodiversity following the exclusion of mobile bottom-contacting fisheries in North Sea marine protected areas (MPAs). To this end, whole-community metabarcoding, supplementary morphological analyses, and sediment eDNA were combined. The analyses revealed highly diverse meiofauna communities, predominantly dominated by nematodes and copepods. Significant spatial and seasonal differences were detected between stations, seasons, and between MPA and reference areas. Furthermore, a comparison between Amrum Bank and Borkum Reef Bottom revealed distinct regional differences in the structure of the meiofauna communities. The comparison between sediment eDNA and whole-community metabarcoding revealed distinct differences in taxonomic coverage. Whole-community metabarcoding proved to be significantly more effective for analyzing meiofauna diversity and achieved substantially higher taxonomic coverage across all major meiofauna groups. The project generated important baseline data for future biodiversity monitoring programs in North Sea MPAs and highlighted the high potential of molecular approaches for standardized, non-invasive monitoring of benthic ecosystems as well as ecological changes following fisheries exclusion measures. AP 2.2 Makrozoobenthos: To implement the ecosystem-based research approach, three interdisciplinary ship-based expeditions were conducted aboard the FK “Senckenberg” to four stations on the Amrum Bank in 2023. Samples were collected to study bacterial, meiofauna, endofauna, and epifauna communities. A total of 294 meiofauna species, 130 endofauna species, and 36 epifauna species were found at the four stations and three sampling times. The meiofauna had the highest average number of species per sample, with a maximum of 138 species (=reads). The endofauna communities exhibited a maximum mean species number with of 34 species per sample, while the epifauna communities had a maximum of 23 species per sample. The mean abundance per sample was also dominated by the meiofauna communities (max. 27,139 individuals per sample), followed by the epifauna (max. 5,791 individuals per sample) and endofauna communities (max. 182 individuals per sample). The multivariate cluster analyses revealed that the similarities between the communities are primarily influenced by sediment composition and seasonal differences, and less so by the ban on bottom trawl fishing, which, however, was not implemented until March 2023. Effects are therefore not expected for some time. When the abundances of all three communities are analyzed in one community analysis, the results show that the similarities between the communities at the stations are driven by the high species richness and abundance of meiofauna and their correlation with sandy and coarse sediments