97
Hamburger Bodenkundliche Arbeiten Hamburger Bodenkundliche Arbeiten Verein zur Förderung der Bodenkunde Hamburg c/o Institut für Bodenkunde - Universität Hamburg https://www.geo.uni-hamburg.de/de/bodenkunde.html HBA Band 101 Band 101 2021 2021 ISSN: 0724-6382 Mathias Spieckermann Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper Elbe Estuary The Author Mathias J. Spieckermann was born in Eutin. He studied geoecology at the Technical University of Braunschweig with a focus on soil science and environmental modeling. In his master thesis, he reproduced a new system for the decentralized treatment of wastewater in the laboratory and developed a 2-D model for the simulation of solute fluxes in this system. During his PhD thesis he focused on the oxygen consumption potential (OCP) of sediments from the upper Elbe estuary. He investigated the spatial and seasonal variability of the OCP and developed a predictive model to calculate the oxygen consumption of resuspended sediments. M. Spieckermann

Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

Hamburger Bodenkundliche ArbeitenHamburger Bodenkundliche Arbeiten

Verein zur Förderung der Bodenkunde Hamburgc/o Institut für Bodenkunde - Universität Hamburg

https://www.geo.uni-hamburg.de/de/bodenkunde.html

HBA

B

and

101 Band 101

2021

2021

ISSN: 0724-6382

Mathias Spieckermann

Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper Elbe Estuary

The Author Mathias J. Spieckermann was born in Eutin. He studied geoecology at the Technical University of Braunschweig with a focus on soil science and environmental modeling.In his master thesis, he reproduced a new system for the decentralized treatment of wastewater in the laboratory and developed a 2-D model for the simulation of solute fluxes in this system. During his PhD thesis he focused on the oxygen consumption potential (OCP) of sediments from the upper Elbe estuary. He investigated the spatial and seasonal variability of the OCP and developed a predictive model to calculate the oxygen consumption of resuspended sediments.

M. S

piec

kerm

ann

Page 2: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

  

 

Controls of Oxygen Consumption  

of Sediments in the  

Upper Elbe Estuary  

 

  

 

 

 

 

 

Dissertation 

with the aim of achieving a doctoral degree  

 at the Faculty of Mathematics,  

Informatics and Natural Sciences 

 Department of Earth Sciences 

 at Universität Hamburg 

 

 

 

 

Submitted by 

Mathias Johannes Spieckermann 

From Eutin, Germany 

 

Hamburg, 2021 

 

 

Page 3: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

   

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Accepted as Dissertation at the Department of Earth Sciences. 

 

Reviewers:          Prof. Dr. Annette Eschenbach 

            Dr. Alexander Gröngröft 

 

Date of Disputation:        15 April 2021 

 

Chair of the subject doctoral committee:  Prof. Dr. Dirk Gajewski 

 

Dean of Faculty of MIN:      Prof. Dr. Heinrich Graener 

 

 

 

 

 

Published as 

Hamburger Bodenkundliche Arbeiten, Volume 101 

Editor:   Verein zur Förderung der Bodenkunde Hamburg 

Allende‐Platz 2, 20146 Hamburg 

   

Editorship:  Dr. Klaus Berger 

 

https://www.geo.uni‐hamburg.de/en/bodenkunde/ueber‐das‐institut/hba.html 

 

Page 4: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

Preface 

 

I would like to thank all those who stood by me during my doctoral thesis, supported me and 

helped me to focus on the essentials. Without your help, I would not have made it this far. 

Special thanks go to my supervisors Annette Eschenbach and Alexander Gröngröft, who 

made my work possible. From the very beginning, they supported me with words and deeds. 

I especially want to thank Monika Voß, Deborah Harms, Birgit Grabellus, Birgit Schwinge 

and Sumita Rui for their great support in the laboratory and their friendly and helpful manner. 

The  many  analyses  and  experiments  performed  in  the  laboratory  would  not  have  been 

possible without your help. 

Also, special thanks to Volker Kleinschmidt, who helped me with the design and setup of 

my experiments and always had a solution to my technical problems. 

I would also like to thank Kay‐Christian Emeis, who accompanied my work in the course 

of  the  School  of  Integrated  Climate  System  Sciences,  for  the  interesting  and  stimulating 

discussions. 

Further,  I would  like to  thank Stephan Schwank and Rolf Lüschow, who supported me 

during the numerous samplings on the Elbe River. 

I  would  like  to  thank  Maja  Karrasch  and  Julia  Gebert  for  the  nice  collaboration  and 

stimulating discussions. 

I  also  want  to  thank  Liz,  Miriam,  Adrian,  Alex,  Jona  and  Lars  for  the  many  fruitful 

discussions and their moral support and the whole Institute of Soil Science for the nice working 

atmosphere. I felt comfortable with you guys from the first day and I will miss you. 

To all my family, Marten and Timo I would like to thank you for always believing in me 

and always finding encouraging words for me. I would also like to give a very special thank you 

to my wife Christin, whom I met and fell in love with here, as she supported and cheered me 

up throughout the entire time. 

 

I would  also  like  to  thank my wife  Christin, whom  I met  and  fell  in  love with  here  at  the 

institute, as she supported and cheered me up throughout the entire time. 

 

This study was funded by the Hamburg Port Authority. 

   

Page 5: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

Publications related to this Dissertation  

Appendix Publication A 

Oxygen  consumption  of  resuspended  sediments  of  the  upper  Elbe  estuary:  Process 

identification and Prognosis.  

M.J. Spieckermann, A. Gröngröft, M. Karrasch, A. Neumann, A. Eschenbach 

Submitted to Aquatic Geochemistry on 17 January 2021. 

 

Appendix Publication B 

Oxygen  consumption  of  resuspended  sediments  of  the  upper  Elbe  estuary:  Spatial  and 

temporal dynamics.  

M.J. Spieckermann, A. Gröngröft, M. Karrasch, A. Eschenbach 

Submitted to the Journal of Soils and Sediments on 11 September 2020. 

 

Appendix Publication C 

Temperature dependent oxygen consumption of sediments of the upper Elbe estuary.  

M.J. Spieckermann, A. Gröngröft, A. Eschenbach.  

Submitted to Estuaries and Coasts on 14 April 2021. 

 

   

Page 6: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

Contents  

Preface ........................................................................................................................................ 3 

Publications related to this Dissertation .................................................................................... 4 

List of Abbreviations ................................................................................................................... 8 

Abstract ...................................................................................................................................... 9 

Zusammenfassung .................................................................................................................... 11 

 

1  Introduction ...................................................................................................................... 13 

1.1  Sediments as Sinks of Oxygen .................................................................................... 13 

1.2  Spatial and Seasonal Variability ................................................................................. 15 

1.3  The Upper Elbe Estuary .............................................................................................. 16 

1.4  Oxygen Concentration in the Elbe Estuary ................................................................ 17 

2  Objectives of the Study ..................................................................................................... 19 

3  Material and Methods ...................................................................................................... 21 

3.1  Sampling Approaches ................................................................................................. 21 

3.2  Development of an Oxygen Consumption Model ..................................................... 23 

4  Summary of Key Results .................................................................................................... 25 

4.1  Sediment Characteristics ........................................................................................... 25 

4.2  OCP of the Sediments ................................................................................................ 25 

4.3  Seasonal Dynamic ...................................................................................................... 27 

4.4  Spatial Variability ....................................................................................................... 28 

4.5  Prognosis Model ......................................................................................................... 28 

4.6  Oxygen Consumption under Stable Conditions ......................................................... 29 

5  Outlook and Implications .................................................................................................. 31 

 

Appendix publication A ........................................................................................................... 35 

Oxygen  Consumption  of  Resuspended  Sediments  of  the  Upper  Elbe  Estuary:  Process 

Identification and Prognosis ..................................................................................................... 35 

A.1  Introduction ............................................................................................................... 36 

A.2  Material and Methods ............................................................................................... 38 

A.2.1  Study Site and Sampling ................................................................................. 38 

A.2.2  Sediment Characterisation ............................................................................. 39 

Page 7: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

A.2.3  Oxygen Consumption ..................................................................................... 39 

A.2.4  Calculation of Oxidation Reactions ................................................................ 40 

A.2.5  Development of an Oxygen Consumption Model .......................................... 41 

A.3  Results ........................................................................................................................ 41 

A.3.1  Characterisation of the Sediments ................................................................. 41 

A.3.2  OCP ................................................................................................................. 43 

A.3.3  Stoichiometric Analysis and Correlations....................................................... 45 

A.3.4  Development of an Oxygen Consumption Model .......................................... 47 

A.3.5  Validation of the Oxygen Consumption Model .............................................. 51 

A.4  Discussion ................................................................................................................... 54 

A.4.1  Sediment Composition ................................................................................... 55 

A.4.2  OCP and Stoichiometric Analysis .................................................................... 55 

A.5  Conclusion .................................................................................................................. 57 

 

Appendix publication B ........................................................................................................... 59 

Oxygen Consumption of Resuspended Sediments of  the Upper Elbe Estuary: Spatial and 

Temporal Dynamics .................................................................................................................. 59 

B.1  Introduction ............................................................................................................... 60 

B.2  Material and Methods ............................................................................................... 62 

B.2.1  Study Site and Sampling ................................................................................. 62 

B.2.2  Sediment Characterisation ............................................................................. 64 

B.2.3  OCP ................................................................................................................. 64 

B.3  Results ........................................................................................................................ 65 

B.3.1  Oxygen Dynamics in the Water Phase ........................................................... 65 

B.3.2  Temporal Dynamics of Sediment Characteristics .......................................... 66 

B.3.3  Temporal Dynamics of OCP ............................................................................ 68 

B.3.4  Spatial Variability of OCP ................................................................................ 70 

B.4  Discussion ................................................................................................................... 72 

B.4.1  Temporal Dynamic ......................................................................................... 72 

B.4.2  Spatial Variability ............................................................................................ 74 

B.5  Conclusion .................................................................................................................. 75 

 

Page 8: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

Appendix publication C ........................................................................................................... 77 

Temperature‐Dependent Oxygen Consumption of Sediments of the Upper Elbe Estuary ..... 77 

C.1  Introduction ............................................................................................................... 78 

C.2  Material and Methods ............................................................................................... 80 

C.2.1  Sampling and Basic Analyses .......................................................................... 80 

C.2.2  High Resolutions Oxygen Concentration Profiles .......................................... 81 

C.3  Results ........................................................................................................................ 82 

C.3.1  Sediment Characteristics ................................................................................ 82 

C.3.2  Oxygen Concentration Profiles ...................................................................... 82 

C.3.3  Oxygen Consumption Rates ........................................................................... 84 

C.4  Discussion ................................................................................................................... 85 

C.5  Conclusion .................................................................................................................. 87 

 

References ................................................................................................................................ 89 

 

   

Page 9: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

List of Abbreviations  

Ctotal    Total Carbon 

MSL    Mean Sea Level 

NRMSE  Normalized Root Mean Squared Error 

Ntotal    Total Nitrogen 

OCP    Oxygen Consumption Potential 

OCP168    Oxygen Consumption Potential after 168 h of Incubation 

RMSE    Root Mean Squared Error 

SOD    Sediment Oxygen Demand 

TOC    Total Organic Carbon 

 

   

Page 10: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

Abstract  

This thesis deals with sediments and their influence on the oxygen balance of the tidal Elbe 

River. The study area is the upper Elbe estuary, including the Port of Hamburg. In this area, 

minimal oxygen content zones are frequently formed during the summer months, where the 

oxygen  content  falls  below  the  critical  value  of  3 mg O2 l‐1  for  fish.  The  biogeochemical 

processes that lead to this oxygen depletion are well known in the water phase. However, the 

influence of sediments with their spatially and temporally variable composition on the oxygen 

balance is largely unknown. The way sediments consume oxygen varies. Under resuspension, 

large amounts of oxygen‐consuming substances are quickly released into the water phase and 

can negatively affect the oxygen balance. Under stable conditions, oxygen diffusely penetrates 

the sediment surface and is slowly but continuously consumed in the oxic sediment layer. 

The aim of this thesis is to clarify how strong the sediment‐induced influence on oxygen 

consumption is, which processes play a major role in this and how much the sediments and 

their  oxygen  consumption  potential  (OCP)  differ  on  a  spatial  and  seasonal  level  during 

resuspension. In two approaches, the spatial and seasonal variability of sediment composition 

and  OCP  during  sediment  resuspension was  determined.  In  a  third  approach,  the  oxygen 

consumption  of  sediments  under  stable  conditions  and  its  temperature  dependence  was 

determined. 

The OCP was  quantified  by  seven‐day  incubation  experiments,  in which  the  sediment 

samples were kept in resuspension. To identify the oxygen‐consuming sub‐processes, the CO2 

formed, and the pore water concentration of relevant anions and cations were determined 

before  and  after  the  experiments.  From  this  information,  the  most  important  oxygen‐

consuming  sub‐processes  could  be  distinguished,  and  their  respective  shares  of  the  total 

oxygen  consumption  were  calculated  stoichiometrically.  Based  on  the  analysed  sediment 

properties and the quantified sub‐processes, we developed a prognosis model that predicts 

the  OCP  of  sediments  by  using  a  single  key  parameter.  In  order  to  assess  the  oxygen 

consumption  of  sediments  under  stable  conditions,  high‐resolution  oxygen  depth  profiles 

were recorded for the first time on sediment cores from three sites in the upper Elbe estuary.  

Within  the  upper  Elbe  estuary,  the  sediments  showed  a  high  spatial  and  seasonal 

variability in their composition and OCP. Towards the North Sea, the OCP of the sediments 

decreased, which can be attributed to a reduced input of fresh biomass in combination with 

a  decrease  in  the  degradability  of  the  organic  matter.  The  OCP  of  the  sediments  varied 

spatially  between  0.005  and  0.967 mmol O2 g d.wt.‐1  and  was  up  to  5.5  times  higher  in 

summer than in winter. This seasonality was also evident in the pore water composition with 

an enrichment of ammonium and a decrease  in sulphate concentration  in summer, due to 

more  reduced  conditions.  Spatially,  the  highest  OCP  and  chlorophyll  concentrations  were 

recorded  in  the  transition  zone  between  the  shallow  and  the  deeper  and  navigable 

downstream area of the harbour. Looking at  the OCP of the sediments during a seven‐day 

resuspension event, the spatial variability was greater than the seasonal variability. Oxygen 

consumption under stable conditions showed a clear increase with temperature, with one of 

Page 11: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

10 

the three samples characterised by a higher temperature effect due to a lower TOC/Ntotal ratio 

of the sample,  indicating a more easily degradable biomass. The input and degradability of 

fresh  biomass  in  conjunction  with  seasonal  changes  such  as  sediment  and  pore  water 

composition along with bacterial productivity/biomass control the oxygen consumption under 

stable conditions.  

The results from the spatial and seasonal analysis showed that the OCP of the sediments 

during a  seven‐day  resuspension event  is  controlled by  the  concentration of  fresh organic 

matter. As a proxy for the fresh organic matter, we used the concentration of chlorophyll in 

the sediment. The total chlorophyll concentration showed the highest correlation with the 

OCP, followed by Ntotal and TOC. The most  important biogeochemical processes  involved  in 

oxygen consumption during a resuspension event were  identified as  the rapid biochemical 

oxidation of reduced compounds (Fe2+, Mn2+, and sulphur compounds like H2S, FeS, FeS2), the 

nitrification (mean velocity) and the slower mineralisation of organic matter. Based on these 

findings, a model was developed that predicts the oxygen consumption of the sediments of 

the upper Elbe estuary with only one sediment parameter (Ntotal). The developed prediction 

model is well suited to calculate the oxygen consumption of resuspended sediments in the 

Hamburg harbour area during the relevant warmer months (NRMSE <0.11 ± 0.13). 

The results of this extensive spatial and seasonal observation of the OCP of sediments 

improve the understanding of the role of sediments and their influences on the oxygen budget 

in the Port of Hamburg. The knowledge gained should now be integrated into water quality 

models. This will make it possible to better assess the effects of major resuspension events, 

such  as  water  injection  dredging,  and  serve  the  development  of measures  to  reduce  the 

environmental impact of maintenance measures in the Port of Hamburg. The next step should 

be  to  transfer  the point  data  to  the  area,  combined with  further  sampling  to  capture  the 

distribution  of  sediment  properties  in  a more  detailed  form.  This  can  be  accompanied  by 

additional oxygen consumption measurements under stable conditions aiming to enlarge the 

data set and to correlate the oxygen consumption to sediment properties.  

The results showed that  the sediments have a high potential  to affect  the Elbe River's 

oxygen budget negatively. For the future, questions arise with regard to the resuspension time 

of  different  sediment  types  and  how  the  combination  of  the  spatial  distribution  of  the 

sediment properties together with the different maintenance measures influence the oxygen 

balance  of  the  tidal  Elbe. Moreover,  how  strong  the  influence  of  oxygen  consumption  of 

sediments  is  under  stable  conditions  and  how  the  influence  of  the  above‐mentioned 

processes could change because of global climate change. 

   

Page 12: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

11 

Zusammenfassung  

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Sedimenten und deren Einfluss auf den Sauerstoffhaushalt 

der Tideelbe. Im Untersuchungsgebiet, dem oberen Elbeästuar einschließlich des Hamburger 

Hafens, bilden sich  in den Sommermonaten häufig Sauerstoffminimumzonen aus,  in denen 

der  Sauerstoffgehalt  unter  den  für  Fische  kritischen  Wert  von  3 mg O2 l‐1  fällt.  Die 

biogeochemischen Prozesse in der Wasserphase, die zu diesem Sauerstoffdefizit führen, sind 

bereits  erforscht.  Welchen  Einfluss  aber  die  Sedimente  mit  ihrer  räumlich  und  zeitlich 

variablen Zusammensetzung auf den Sauerstoffhaushalt haben, ist weitestgehend unbekannt. 

Sedimente können bei Resuspension schnell große Mengen sauerstoffzehrender Stoffe in die 

Wasserphase  abgegeben  und  somit  die  Sauerstoffbilanz  unmittelbar  negativ  beeinflussen. 

Unter stabilen Bedingungen hingegen, dringt der Sauerstoff diffus in die Sedimentoberfläche 

ein und wird in der oxischen Sedimentschicht langsam, aber kontinuierlich verbraucht. 

Ziel dieser Arbeit ist es, exemplarisch für das obere Elbeästuar zu erfassen, wie groß der 

sedimentbedingte  Einfluss  auf  den  Sauerstoffverbrauch  ist,  welche  sauerstoffzehrenden 

Prozesse  eine  wesentliche  Rolle  spielen  und  wie  stark  sich  die  Sedimente  und  ihr 

Sauerstoffzehrungspotential  (OCP)  während  einer  Resuspension  auf  räumlicher  und 

saisonaler Ebene unterscheiden. In zwei Messkampagnen wurde die räumliche und saisonale 

Variabilität  der  Sedimentzusammensetzung  und  des  OCP  während  der  Resuspension  von 

Sedimenten  erfasst.  In  einem  dritten  Untersuchungsansatz  wurde  die  Temperatur‐

abhängigkeit der Sauerstoffzehrung von Sedimenten unter stabilen Bedingungen bestimmt.  

Zur  Quantifizierung  des  OCP  wurden  siebentägige  Inkubationsversuche,  bei  denen 

Sedimentproben  in  Resuspension  gehalten  wurden,  durchgeführt.  Um  die  sauerstoff‐

zehrenden  Teilprozesse  zu  identifizieren, wurden  das  gebildete  CO2  und  die  Porenwasser‐

konzentration  relevanter  An‐  und  Kationen  vor  und  nach  den  Experimenten  bestimmt. 

Anhand  dieser  Informationen  konnten  die  wichtigsten  sauerstoffzehrenden  Teilprozesse 

unterschieden und ihre jeweiligen Anteile am gesamten Sauerstoffverbrauch stöchiometrisch 

berechnet werden. Auf dieser Grundlage wurde ein Prognosemodell zur Berechnung des OCP 

entwickelt.  Zur  Erfassung  des  Sauerstoffverbrauches  von  Sedimenten  unter  stabilen 

Lagebedingungen,  wurden  erstmalig  hochauflösende  Sauerstofftiefenprofile  an  Sediment‐

kernen von drei Standorten aus dem oberen Elbästuar erfasst. 

Die  Sedimente  wiesen  innerhalb  des  oberen  Elbeästuars  eine  hohe  räumliche  und 

saisonale Variabilität in ihrer Zusammensetzung und im OCP auf. In Richtung Nordsee nahm 

das  OCP  der  Sedimente  ab,  was  auf  einen  verringerten  Eintrag  von  frischer  Biomasse  in 

Kombination mit einer Abnahme der Abbaubarkeit der organischen Substanz zurückgeführt 

werden kann. Das OCP der Sedimente variierte räumlich zwischen 0,005 und 0,967 mmol O2 g 

TS‐1 und war im Sommer bis zu 5,5‐mal höher als im Winter. Diese Saisonalität zeigte sich auch 

in  der  Porenwasserzusammensetzung  mit  einer  Anreicherung  von  Ammonium  und  einer 

Abnahme  der  Sulfatkonzentration  im  Sommer,  aufgrund  stärker  reduzierter  Bedingungen. 

Räumlich wurden die höchsten OCP und Chlorophyllkonzentrationen in der Übergangszone 

zwischen dem flachen und dem tieferen und schiffbaren stromabwärts gelegenen Bereich des 

Page 13: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

12 

Hafens  erfasst.  Betrachtet  man  das  OCP  der  Sedimente  während  eines  siebentägigen 

Resuspensionsereignisses,  so  war  die  räumliche  Variabilität  größer  als  die  saisonale.  Die 

Sauerstoffzehrung  unter  stabilen  Bedingungen  zeigte  einen  deutlichen  Anstieg  mit  der 

Temperatur, wobei  eine der drei  Proben durch einen höheren Temperatureffekt  aufgrund 

eines  niedrigeren  TOC/Ntotal‐Verhältnisses  der  Probe  gekennzeichnet  war,  was  auf  eine 

leichter  abbaubare  Biomasse  hinweist.  Der  Eintrag  und  die  Abbaubarkeit  von  frischer 

Biomasse  in  Verbindung  mit  den  saisonalen  Veränderungen,  wie  der  Sediment‐  und 

Porenwasserzusammensetzung  und  der  bakteriellen  Produktivität/Biomasse,  steuern  die 

Sauerstoffzehrung unter stabilen Bedingungen.  

Die  Ergebnisse  aus  der  räumlichen  und  saisonalen  Analyse  zeigten,  dass  das  OCP  der 

Sedimente, während eines siebentägigen Resuspensionsereignisses, durch die Konzentration 

frischer organischer Substanz gesteuert wird. Die Chlorophyllkonzentration im Sediment dient 

dabei als Indikator für die frische organische Substanz und zeigte die höchste Korrelation mit 

dem OCP der Sedimente, gefolgt vom Ntotal und TOC Gehalt. Als wichtigste biogeochemische 

Prozesse,  die  an  der  Sauerstoffzehrung  während  eines  Resuspensionsereignisses  beteiligt 

sind, wurden die schnelle biochemische Oxidation von reduzierten Verbindungen (Fe2+, Mn2+ 

und  Schwefelverbindungen wie H2S,  FeS,  FeS2),  die Nitrifikation  (mittlere Geschwindigkeit) 

und  die  langsamere Mineralisierung  von  organischem Material  identifiziert.  Basierend  auf 

diesen Befunden wurde ein Modell entwickelt, dass mit nur einem Sedimentparameter (Ntotal) 

den  Sauerstoffverbrauch  der  Sedimente  des  oberen  Elbeästuars  prognostiziert.  Das 

entwickelte Prognosemodell ist gut geeignet, den Sauerstoffverbrauch von resuspendierten 

Sedimenten  im  Hamburger  Hafengebiet  während  der  relevanten  wärmeren  Monate  zu 

berechnen (NRMSE <0,11 ± 0,13).  

Die  gewonnenen  Erkenntnisse  sollten  nun  in  Wassergütemodelle  integriert  werden. 

Damit können Auswirkungen von größeren Resuspensionsereignissen, wie zum Beispiel beim 

Wasserinjektionsverfahren, besser bewertet werden und der Entwicklung von Maßnahmen 

zur  Reduzierung  der  Umweltauswirkungen  von  Unterhaltungsmaßnahmen  im  Hamburger 

Hafen  dienen.  Um  im  nächsten  Schritt  die  Übertragung  der  Punktdaten  auf  die  Fläche  zu 

ermöglichen, sollte die räumliche Verteilung der Sedimenteigenschaften im oberen Elbeästuar 

in  einer  höher  aufgelösten  Form  erfasst  werden.  Einhergehend  kann  der  Datensatz  zur 

Sauerstoffzehrung unter stabilen Bedingungen durch zusätzliche Untersuchungen erweitert 

werden,  um  so  aussagekräftige  Korrelationen  zwischen  dem  Sauerstoffverbrauch  und  den 

Sedimenteigenschaften unter diesen Bedingungen zu erhalten.  

Die  Ergebnisse  zeigen,  dass  die  Sedimente  ein  hohes  Potential  haben  den 

Sauerstoffhaushalt der Elbe negativ zu beeinflussen. Für die Zukunft stellen sich die Fragen, 

wie  die  Kombination  von  räumlicher  Verteilung  der  Sedimenteigenschaften  und  die 

unterschiedlichen  Unterhaltungsmaßnahmen  den  Sauerstoffhaushalt  der  Tideelbe,  zum 

Beispiel  über  die  Dauer  der  Resuspension,  beeinflussen,  wie  stark  der  Einfluss  der 

Sauerstoffzehrung von Sedimenten unter stabilen Bedingungen ist und wie sich infolge des 

globalen Klimawandels der Einfluss der oben genannten Prozesse verändern wird. 

 

Page 14: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

13 

“The saddest aspect of life right now is that  

science gathers knowledge faster than society gathers wisdom” 

–Isaac Asimov– 

1 Introduction 

The availability of dissolved oxygen is a prerequisite for an intact aquatic ecosystem. It directly 

affects the biological health of river systems (Williams and Boorman 2012) and is used as an 

indicator for the quality of surface water bodies (Cude 2001, Bayram et al. 2015). As the most 

abundant  electron  acceptor,  oxygen  has  a  major  influence  on  the  sulphur,  nitrogen, 

phosphorus, and carbon cycles and  influences  the metabolic processes  taking place  in  the 

sediment (Glud 2008). The water body’s oxygen content  is the result of oxygen‐consuming 

and  oxygen‐supplying  processes.  Atmospheric  inputs  and  the  oxygen‐supplying 

photosynthesis of algae enrich the water with oxygen. Oxygen‐consuming processes, such as 

the mineralisation of organic matter, respiration, or the oxidation of reduced compounds lead 

to a  reduction of oxygen. An  imbalance between oxygen‐supplying and oxygen‐consuming 

processes leads to oxygen depletion, which occurs in coastal waters and estuaries worldwide 

(Morris  et  al.  1982;  Sarma  et  al.  2013;  Su  et  al.  2017).  In  the  worst  case,  the  oxygen 

concentration falls below critical values and leads to aquatic life's mortality. The appearance 

of this imbalance is a problem that seems to be growing globally (Díaz and Rosenberg 2008, 

Gilbert  et  al.  2010)  and  in  relation  to  climate  change  it  is  unclear  how  this will  affect  the 

different types of estuaries (Bruce et al. 2014). 

The  oxygen  consumption  in  estuaries  takes  place  both  in  the water  phase  and  in  the 

sediment. Depending on  their  composition,  sediments  can have a  strong  influence on  the 

oxygen balance of water bodies. They can act as an oxygen sink by removing oxygen from the 

water  phase  through  oxygen‐consuming  processes  within  the  sediment  or  as  a  source  of 

oxygen‐consuming  substances  that  enter  the  water  phase  through  diffuse  fluxes  or  by 

resuspension. The upper Elbe estuary, as a highly dynamic system, serves as the study area to 

answer the open questions regarding the oxygen consumption properties of sediments. 

 

1.1 Sediments as Sinks of Oxygen 

Sediments can be regarded as a kind of archive that by their composition reflect the prevailing 

environmental conditions under which they were formed. Their composition is influenced by 

several factors, such as their location, sedimentation rates, flow velocities, temperature, and 

the input of organic biomass. Due to the high number of different factors, sediments can differ 

immensely from one another, leading to a strong spatial and temporal variability in oxygen 

consumption  from  sediments.  According  to  Veenstra  and  Nolen  (1991),  sediment  oxygen 

demand (SOD) is defined as the rate of oxygen consumption, biologically or chemically, on or 

in the sediment at the bottom of a water body. The SOD combines two main oxygen sinks: 

(i) the  sediment  oxygen  uptake  by  aerobic  mineralisation  of  organic  matter  as  well  as 

oxidation of reduced substances and (ii) the flux of reduced substances out of the sediment 

Page 15: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

14 

(Steinsberger et al. 2019). Barcelona (1983) and Rong and Shan (2016) divided the SOD into 

chemical  oxidation  of  dissolved  iron,  manganese,  hydrogen  sulphide/sulphur,  and  into 

biochemical oxidation of ammonium and nitrite to nitrate, in addition to the mineralisation of 

organic matter and respiration.  

In the case of SOD, a distinction must be made between oxygen consumption at stable 

conditions and consumption at resuspension caused by a disturbance of the sediment surface. 

Under stable conditions, SOD is diffusion limited. Oxygen diffusely penetrates the sediment. 

The thickness of the oxic zone can range from a few mm in organic rich sediments (Sweerts et 

al. 1989) to several cm (Wenzhöfer et al. 2001) in sandy sediments. The penetration depth is 

regulated by the organic carbon degradation, the oxygen concentration of the water, and the 

transport of oxygen from the water phase into the sediment, whereby the sediment porosity 

and the diffusion coefficient of oxygen plays a role (Cai and Sayles 1996). If oxygen is no longer 

available for the energy metabolism, other electron acceptors take over its part (suboxic and 

reduced  zone).  As  a  result  of  the  diagenetic  processes,  the  sediment  and  pore  water 

accumulates with reduced compounds from the anaerobic metabolism (Figure 1). 

 

 Figure  1:  A  schematic  illustration  of  some  significant  diagenetic  processes  in  sediments  (Adapted 

according to Glud 2008). 

The SOD during resuspension is the sum of multiple processes driven by the oxygen supply, 

the  biochemical  processes  taking  place,  and  the  sediment  properties.  The  oxygen 

consumption potential (OCP) of sediments becomes apparent during their resuspension, as 

there is a sudden release of all solid sediment components and the pore water. The release of 

reduced  compounds  such  as  iron,  manganese,  or  hydrogen  sulphide  leads  to  rapid 

biochemical  oxygen  consumption.  Ammonium,  as  the  end  product  of  the  anaerobic 

degradation  of  organic  matter,  accumulates  in  the  pore  water  and  is  released  during 

resuspension. The nitrification that then occurs consumes 4.57 gram of oxygen per gram of 

ammonium  (Wezernak  and  Gannon  1967).  Sedimented  organic  matter  is  released  and  is 

available  for  aerobic mineralisation.  In  organic  rich  sediments,  oxygen  is  the  only  limiting 

factor and the OCP can be seen as a function of the electron acceptors (Bryant et al. 2010). 

Page 16: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

15 

Almroth et al. (2009) and Sloth et al. (1996) showed in their experiments that a resuspension 

of  sediments  causes  a  local  and  temporary  increase of  reduced  inorganic  compounds  and 

organic matter within the water, which enhances the oxygen consumption. 

Resuspension of  sediments  takes  place  in  both  limnic  and marine  areas worldwide.  It 

occurs when the shear stress is high enough to transport sediment particles into the water 

column (Almroth et al. 2009). This critical shear stress can be exceeded by natural forces such 

as tidal currents, wind, and biological activities (Sanford et al. 1991; Graf and Rosenberg 1997), 

or  by  human  activities  such  as  ship  induced  waves  (Schoellhamer  1996)  and  dredging 

operations (Cappuyns et al. 2006).  

For an assessment of human activities on a water body's oxygen balance, models that 

combine physical and biochemical processes can be used. However, a shortcoming of many 

numerical models that include biochemical processes at the sediment‐water interface is that 

they are unable to model the resuspension of sediments and its effect on oxygen and nutrient 

dynamics  (Moriarty  et  al.  2018).  Therefore,  it  is  of  high  interest  to quantify  the  impact of 

resuspended sediments to improve water quality modelling. 

 

1.2 Spatial and Seasonal Variability 

The influence of sediments on the oxygen balance of water bodies is mainly controlled by their 

composition. As already mentioned, many different  factors control  the composition of  the 

sediments. If one wants to know more about the ability of sediments to consume oxygen, the 

prevailing hydrographic  conditions  and  the distances  to potential  sources of  input play  an 

important  role.  Sedimentation  rates,  flow velocities,  and accumulation of  organic material 

depend on these factors. The particle size distribution is influenced by the flow velocity and 

thus  the  input  of  organic  matter.  A  reduction  in  flow  velocity  leads  to  an  increased 

sedimentation  of  finer  particles  and  thus  to  an  accumulation  of  organic  material  that  is 

associated with the fine‐grained fraction (de Haas et al. 2002; Giles et al. 2007). This leads to 

a change in the composition of the sediments and consequently to a variability in the ability 

to consume oxygen. In addition to this rigid spatial structure, the sediments also differ on the 

temporal  scale. Due  to  seasonal  variations  in  temperature, discharge  rates,  sedimentation 

rates, and algal biomass development, the sediment is subject to a constant change. Besides, 

precipitation and the resulting runoff lead to an input of terrestrial organic material. A change 

in water temperature has a direct influence on the oxygen saturation and controls the activity 

of the micro‐ and macrofauna. Many sediment properties have been found to correspond with 

SOD, such as sediment organic matter, nitrogen, pigments (chlorophyll a, phaeopigment a, 

total carotenoids), as well as the water depth and spatial location of the sediments (Vidal et 

al. 1992; Duineveld et al. 1997; Grant et al. 2002; Giles et al. 2007; Mügler et al. 2012).  In 

addition, water temperature shows a positive correlation with SOD (Hopkinsion et al. 2001; 

Fulweiler  et  al.  2010). Many  authors  have  reported  a  seasonal  variability  in  SOD, with  an 

increase in summer and a decrease in winter in rivers and coastal sediments (Rasmussen and 

Jørgensen 1992; Rysgaard et al. 1995; Hopkinsion et al. 2001; Akomeah and Lindenschmidt 

2017). This summer‐winter difference is explained by changes in the biological activity and a 

Page 17: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

16 

variation in the input of labile organic matter such as dead settled algae. These facts make it 

obvious that sediments are subject to spatial and seasonal dynamics. However, little is known 

about the spatial and seasonal variability of the SOD and sediment parameters that control 

the sediment oxygen consumption.  

As this study deals with the variability of sediments, the lower Elbe estuary serves as the 

selected study region. Due to the Port of Hamburg, the tidal influence, and its location in a 

climate zone with distinct seasons, the upper Elbe estuary is a spatially and temporally variable 

system. This results in a system of differently composed sediments, each with different oxygen 

consumption properties, which is necessary to answer the existing questions. 

 

1.3 The Upper Elbe Estuary 

The  upper  Elbe  estuary  (Germany),  characterized  by  fresh  water  from  the  Middle  Elbe, 

stretches from the weir Geesthacht (stream‐km 586) 46 km downstream to Wedel (stream‐

km 541) and includes the large area of the Port of Hamburg (Figure 2). Between stream‐km 

609 and 626, the Elbe forms an inland delta with the Northern Elbe and the Southern Elbe as 

its major branches. With the start of the trafficability for ocean vessels at about stream‐km 

619 (Southern Elbe) and stream‐km 624 (Northern Elbe), the fairway's depth and the harbour 

basins have been increased from 2.7 m to 15 m below MSL.  

The  hydrology  of  the  upper  Elbe  estuary  is  spatially  and  temporally  dynamic.  Flow 

velocities vary strongly between the fairway and the rear parts of harbour basins. Due to low‐

flow areas or differences in cross‐flow sections, hot spots of sedimentation occur. Particulate 

organic matter originates  from the Middle Elbe and the North Sea and  is mixed  in varying 

proportions within the upper estuary depending on the headwater discharge (Gröngröft et al. 

1998; Kleisinger et al. 2015; Reese et al. 2019). Additionally, seasonal changes in temperature 

and  phytoplankton  concentration  prevail.  Therefore,  it  is  assumed  that  this  variability 

influences the oxygen demand of the Hamburg port sediments. 

 

 Figure 2: Port of Hamburg with the Northern and Southern Elbe, which form the inland delta (source: 

www.bing.com/maps/). 

Page 18: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

17 

The Port of Hamburg is the largest seaport in Germany and the third‐largest in Europe. Seen 

from the mouth of the Elbe, it lies 110 km east in the country's interior. With 136.6 million 

tonnes  of  cargo  handled  in  2019  (Port  of Hamburg  2020),  the  port's  primary  use  is  cargo 

handling. An essential aspect of the management of the harbour is to ensure the navigable 

depth of the Elbe. This falls under the task of the Hamburg Port Authority (HPA).  

Due  to  high  sedimentation  rates  in  the  fairways  and  adjacent  harbour  basins  in  the 

Hamburg port area each year an amount of 1.7 to 6 million tons (as dry substance) must be 

dredged  to  keep  the  fairway  navigable  (2010–2018;  Hamburg  Port  Authority  unpublished 

data). For this purpose, different systems such as Hopper dredging, bed levelling, and water 

injection  are  used  in  the  Elbe  estuary.  During  hopper  dredging  operations,  sediments  are 

sucked  up  from  the  riverbed  and  dumped  back  into  the  water  column  at  the  respective 

disposal site. Bed levellers use a plough to relocate the sediment without raising it into the 

water  column. Water  injection  application  uses  nozzles  to  pump  water  directly  onto  the 

sediment. The remobilised sediments are then transported away from the site of operation 

by  the  current.  These  procedures  are  subject  to  various  regulations.  At  specific  oxygen 

concentrations in the river water, they are prohibited in order to prevent the oxygen content 

from falling to critical levels. Due to the critical oxygen concentration in summer in the upper 

estuary, the disposal of sediments  is restricted to the winter months.  In other not oxygen‐

depleted areas, such as the outer estuary and the North Sea, disposal of Elbe sediments is also 

carried out in summer. In the tidal Elbe, it is restricted below 6 mg O2 l‐1 and prohibited below 

5 mg O2 l‐1  in order  to avoid oxygen depletion due  to  sediment disposal  (BfG 2008). Water 

injection applications are used with restrictions in summer and are prohibited at an oxygen 

concentration of below 4 mg O2 l‐1 (Hamburg Port Authority 2018). 

 

1.4 Oxygen Concentration in the Elbe Estuary 

In the upper part of the Elbe estuary with the Port of Hamburg and all its harbour basins, a 

strong decline in dissolved oxygen concentrations is frequently observed during the summer 

months  (Figure  3)  (Bergemann  et  al.  1996;  Schroeder  1997;  Schöl  et  al.  2014)  regularly 

reaching critical values of less than 3 mg O2 l‐1.  

Before  the  fall  of  the  Iron  Curtain,  large  quantities  of  oxygen‐consuming  and  toxic 

substances were discharged into the Elbe. This resulted in the fact that the minimum oxygen 

concentration  of  3 mg O2 l‐1  required  for  fish  in  the  tidal  Elbe was  frequently  not  reached 

(Figure 3). Such oxygen minimum zones resulted  in regularly occurring fish mortality. After 

reunification, the closure of factories and the installation of wastewater treatment plants led 

to an improvement in the tidal Elbe's oxygen content (Bergemann et al. 1996; Sanders et al. 

2017). Despite an improvement, there is still the formation of oxygen minimum zones within 

the tidal Elbe. Due to the high nutrient content of the relatively shallow Middle Elbe, strong 

algae masses are formed in spring and summer. These algae are transported to the navigable 

depth of the tidal Elbe. Due to turbulent transport, they reach the lightless, deeper zone, and 

oxygen  is  first consumed by respiration and then by their decomposition. Therefore,  these 

oxygen minimum  zones  are mainly  attributed  to  algal  respiration  and  carbon  degradation 

Page 19: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

18 

(Schroeder 1997) as well as zooplankton grazing (Schöl et al. 2014). Kerner (2000) also came 

to the conclusion that microbial oxygen consumption, coupled with the degradation of freshly 

transported organic material from the upper stream, controls the oxygen concentration in the 

warmer seasons. Schroeder (1997) postulated that nitrification and sediment processes are of 

minor relevance, while Sanders et al. (2017) found a substantial increase in nitrification in the 

Hamburg area in spring and summer. Therefore, mineralisation and respiration have a strong 

influence on oxygen consumption in the water phase. Studies in other rivers have shown that 

the  oxygen  consumption  of  sediments  can  be  the major  source  of  water  column  oxygen 

depletion (Boynton and Kemp 1985; Rutherford et al. 1991; Matlock et al. 2003; MacPherson 

et al. 2007). So far, sediment driven oxygen consumption is less investigated in the Hamburg 

harbour area. It is not possible to make any quantitative statements about the influence of 

the Hamburg harbour sediments on the oxygen budget of the Elbe. Especially with regard to 

the regularly occurring oxygen minimum zones in the upper Elbe estuary, it  is not yet clear 

what role the sediments have in this. 

 

 Figure 3: Daily mean values of oxygen concentration at the Hamburg‐Seemannshöft measuring station 

1982 – 2006 (Adapted according to ARGE ELBE / FGG ELBE 2007). 

As a result of the global climate change, the influence of the processes mentioned above is 

likely to change. In order to better understand the influence of different dredging activities 

and the possible effects of climate change on sediment composition and thus on the SOD, it 

is  essential  to  identify  the  individual  parameters  and  processes  that  influence  the  oxygen 

consumption by sediments. 

   

Page 20: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

19 

2 Objectives of the Study 

As  described  in  the  previous  sections,  the  effective  and  potential  oxygen  consumption  of 

sediments is composed of different sub‐processes and is controlled by the properties of the 

water body and the sediment composition. With regard to the sediments of the upper Elbe 

estuary, the following questions arise: 

‐ Which biochemical processes control the OCP of sediments?  

‐ What is the share of the main biochemical processes? 

‐ Which sediment properties control the involved biochemical processes? 

 

Due to the economic importance of the Port of Hamburg, its waterways must be maintained 

regularly. This can lead to a resuspension of the sediments, resulting in a decrease in the water 

phase's oxygen concentration. Being able to estimate the influence of resuspended sediments 

on the basis of individual sediment parameters would help to optimize maintenance measures 

and to reduce the risk to the aquatic environment. Therefore, next question is: 

‐ Is it possible to predict the OCP of sediments from known sediment parameters? 

 

As the Port of Hamburg is  located in a climate zone with distinct seasons, there are strong 

seasonal  dynamics  in  terms  of  temperature,  precipitation,  solar  radiation,  and  the  runoff 

between summer and winter. As a result, there is a seasonal change in sediment composition 

and SOD. In order to determine the influence of this seasonality on the sediments and their 

OCP, the following question has to be answered: 

‐ What  seasonal  changes occur with  regard  to  the  composition  and  the OCP of 

sediments? 

 

Due to the structure of the Port of Hamburg, with its different harbour basins, water depths, 

tidal influences, cross‐sections, distance to the Middle Elbe, and the resulting flow velocities 

and sedimentation rates, was a further question: 

 

‐ How does the OCP vary spatially? 

 

Previous research questions have dealt with resuspended sediments and the processes and 

sediment parameters that control  the potential oxygen consumption. Besides the effect of 

resuspension,  where  the  shear  resistance  must  be  overcome  so  that  the  sediment 

components pass into the water phase, sediments also consume oxygen when they are under 

stable  conditions.  The  oxygen  consumption  of  sediments  at  stable  conditions  takes  place 

independently  of  external  disturbances  and  can  therefore  be  regarded  as  a  continuous 

process. For the upper Elbe estuary, no studies are available so far that use high‐resolution 

oxygen  depth  profiles  to  investigate  the  oxygen  consumption  of  sediments  at  stable 

conditions. The temperature dependence and sediment composition and its influence on the 

Page 21: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

20 

oxygen consumption of sediments at stable conditions was, therefore, the focus of the next 

questions. 

‐ How much oxygen is consumed from the sediments under stable conditions? 

‐ How much does temperature control the SOD? 

   

Page 22: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

21 

3 Material and Methods 

In this thesis, the oxygen consumption of sediments in the upper Elbe estuary was determined 

and  investigated by three approaches  (Figure 4). The  first approach focused on the spatial 

variability of sediment composition and oxygen consumption during resuspension (OCP). The 

second approach aimed to determine the seasonal dynamics of sediment composition and 

oxygen  consumption  during  resuspension  (OCP),  and  the  third  approach  investigated  the 

oxygen consumption of sediments at stable conditions (SOD). 

 

3.1 Sampling Approaches 

During the first approach to study the spatial variability, sediments from 21 sites in the upper 

Elbe  estuary  were  investigated  (Figure  5,  P1‐P21).  The  sampled  area  extended  from  the 

easternmost point Stover Strand (stream‐km 589) to the westernmost point at the sediment 

trap Wedel (stream‐km 643). Samples in the area of the Hamburg harbour were taken both in 

the  fairway and at  the  entrances of  the harbour basins  and  their  ends.  The  sampling was 

carried out from 2017‐06‐30 to 2017‐07‐04. To characterise the influence of sediment age, 

these samples were divided into two age categories: <2 years and >2 years. For an estimation 

of the age of the sediments, the data of the last maintenance dredging at the sites were taken 

into account. In addition, the load of trace elements was taken into account, which has been 

decreasing over time in the Elbe since the 1990s (HPA, unpublished document 2019).  

In order to answer the research questions on seasonal dynamics, monthly samples were 

taken at a single location for a period of two years from December 2016 to November 2018 

(2nd  approach).  To  ensure  that  the  sediment  composition  represents  the  current 

environmental conditions, we selected a location with a known high sedimentation rate. This 

condition  applies  to  the  entrance  area  of  the  Hansahafen  (Figure  5,  P10).  This  area  is 

characterized  by  a  widening  of  the  cross  section  of  the  Northern  Elbe,  where  increased 

sedimentation  rates occur with  the  formation of a mud  lens. At  the edge of  the mud  lens 

sedimentation rates are reported to be up to 2 cm day‐1 and up to 9 cm day‐1 in the centre of 

the lens. Consequently, dredging activities in this area are quite frequent. 

Samples were  taken  from  a  ship with  a  core  sampler  (Frahm‐Lot,  length 80 cm,  inner 

diameter 10 cm).  In both  approaches,  the  layers of  0‐20  cm and 40‐60  cm were analysed. 

Seven‐day  incubation experiments  served  to determine  the OCP of  the  sediments.  Typical 

sediment parameters such as organic carbon content (TOC), total nitrogen content (Ntotal) or 

grain  size  distribution were  determined.  A more  detailed  overview  of  the methodological 

design is given in Figure 4. 

Page 23: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

22 

 Figure 4: Schematic overview of the study design including sampling, preparation of samples in the 

laboratory, and the analysis performed. 

Page 24: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

23 

 Figure  5:  Sampling  locations  within  the  upper  Elbe  estuary  and  the  Port  of  Hamburg.  Black  dots 

represent  the  sampling  locations  between  river  km  589  (P1)  and  643  (P21)  to  analyse  the  spatial 

variability.  Point  P10  refers  to  the  access  area  of  the Hansahafen  for  the  analysis  of  the  seasonal 

dynamic.  The  circles  represent  the  sampling  locations  for  the  analysis  of  oxygen  consumption  of 

sediments under stable conditions. From the left: Köhlfleet, Hansahafen, and the Fairway Norderelbe 

(source of map: unpublished and adapted data from Hamburg Port Authority). 

To  quantify  the  individual  processes  (biochemical  oxidation  of  reduced  compounds  and 

nitrification) involved in oxygen consumption, the concentrations of sulphate, nitrate, nitrite, 

iron, and manganese were determined before and after the incubation experiments. By the 

change of concentration, the respective proportions of the individual processes in the oxygen 

consumption  was  calculated  stoichiometrically.  The  proportion  of  mineralisation  in  the 

oxygen consumption was deduced from the measured amount of CO2, that has been formed 

during the incubation experiments. 

In  a  3rd  approach,  samples  from  three  locations  were  taken  (Figure  5  circles).  These 

samples  were  used  to  investigate  the  oxygen  consumption  of  sediments  under  stable 

conditions with high resolution oxygen depth profiles (Berg et al. 1998). The measurements 

were carried out at 5 °C, 15 °C, and 25 °C to determine the temperature effect on SOD under 

stable  conditions.  The  sample  at  the  location  Hansahafen  was  taken  on  2018‐04‐20,  the 

sample  at  the  location  Köhlfleet  on  2018‐06‐23,  and  the  sample  at  the  location  Fairway 

Norderelbe on 2018‐08‐28. 

 

3.2 Development of an Oxygen Consumption Model 

To develop a model for OCP calculation, we used the following approach: (i) The cumulative 

oxygen consumption curves of  the samples  from the 1st approach were divided  into  three 

Page 25: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

24 

phases that characterize the biogeochemical chain of processes. The respective curves of the 

individual  phases  were  fitted.  (ii)  The  resulting  parameters  of  the  fitting  functions  of  all 

samples were correlated with the sediment properties. This resulted in six linear or nonlinear 

regression  equations  between  sediment  properties  and  fitting  parameters.  Using  the 

sediment properties, we were able to calculate the six parameters per sample, which allowed 

us to calculate the oxygen consumption and their involved processes along the timeline. For 

all  samples,  the  normalized  root  mean  squared  error  (NRMSE)  between  measured  and 

modelled oxygen consumption was calculated. (iii) To validate the model, the samples from 

the 2nd approach were used. Using the sediment properties, the six parameters per sample 

were  determined,  and  the  oxygen  consumption  was  calculated  and  compared  with  the 

measured oxygen consumption. Thus, the accuracy of the model could be quantified. 

   

Page 26: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

25 

4 Summary of Key Results  

4.1 Sediment Characteristics 

The study of Elbe estuary sediments reveals that the properties of the analysed samples from 

all three approaches varied strongly. For instance, the sand content of the samples from the 

spatial analysis (1st approach) ranged between 1.1 and 99.2%‐d.wt. and the amount of fine 

grained particles (<20 µm) ranged from 0.8 to 89.0%‐d.wt. The TOC, which is a relevant driver 

for  the  oxygen  demand,  ranged  between  0.2%‐d.wt.  and  6.3%‐d.wt.  and  showed  a  high 

positive  correlation  with  the  grain  size  fraction  <20 µm  (rsp = 0.780;  p <0.01).  Location  4 

showed  the  highest  TOC  content  with  6.3%‐d.wt,  the  highest  chlorophyll  concentration 

(1100.9 µg g d.wt.‐1), and the lowest TOC/Ntotal ratio (7.3) and is located in the transition zone 

where the fairway is deepened for oceangoing vessels. 

The  samples  from  the  temporal  analysis  at  the  position  Hansahafen  (2nd  approach) 

showed  less  variation  in  their  composition.  The  TOC  content  varied  between  1.3  and 

3.9%‐d.wt., the TOC/Ntotal ratio lies between 7.2 and 9.8, the chlorophyll concentration ranged 

from 49.4 to 257.7 µg g d.wt.‐1, and the grain size fraction <20 µm ranged from 17.1 to 73.7%‐

d.wt. The maximum values for TOC, Ntotal, chlorophyll, and the grain size fraction <20 µm were 

found during the summer months combined with the lowest TOC/Ntotal ratio.  

The sediment characteristics of the 3rd approach differed strongly from each other but 

are within the range mentioned above. Of the three location, the sediment at the location 

Köhlfleet showed the highest TOC content (4.1%‐d.wt.) and the highest content of the grain 

size fraction <20µm (78.8%‐d.wt.). The sediment at the location Fairway Norderelbe had the 

lowest TOC/Ntotal ratio (8.1). TOC, Ntotal, and the grain size fraction <20 µm of this sample were 

in the range between the other two sites. 

 

4.2 OCP of the Sediments 

The  input  of  fresh  organic matter  controls  the  OCP  of  the  sediments  during  a  seven‐day 

resuspension.  The  sediment  parameters  total  chlorophyll,  Ntotal,  and  TOC  had  the  most 

significant  influence on the OCP of the sediments. This applies to the data set from spatial 

analysis and to the data set from the seasonal analysis. In both data sets, the total chlorophyll 

concentration showed the highest correlation with the OCP, followed by Ntotal. 

From the measured cumulative oxygen consumption curves and the calculated oxygen 

consumption rates it can be seen that several processes control the oxygen consumption of 

the sediments during resuspension. This is indicated by the shape of the curves. The curves 

can be divided into three phases, which are distinguished by a decrease in the consumption 

rate (Figure 6). The processes that control these phases are subject to different kinetics and 

sources of educts. A reduction in the consumption rate occurs when a corresponding source 

is depleted. 

The  three  sub‐processes  were  identified  as:  (i)  The  biochemical  oxidation  of  reduced 

compounds (Fe2+, Mn2+, and sulphur compounds like H2S, FeS, and FeS2), (ii) the nitrification 

of ammonium to nitrate, and (iii) the mineralisation of organic matter (Figure 6). Within the 

Page 27: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

26 

first hours (Phase 1), the consumption rate is highest and is dominated by the oxidation of 

reduced compounds. After consuming the corresponding educts, the rate decreases, and the 

nitrification (Phase 2) controls the oxygen consumption. If ammonium is no longer available, 

the oxygen consumption rate decreases a second time substantially, and the consumption is 

controlled by the mineralisation of organic matter (Phase 3). That the assumptions about the 

processes  are  correct  showed  a  Spearman  correlation  between  the  measured  oxygen 

consumption  and  the  stoichiometrically  calculated  oxygen  consumption,  which  gave  a 

Spearman correlation coefficient (rsp) of 0.960 (p<0.05) for the 1st approach and a rsp of 0.966 

(p<0.05) for the 2nd approach. 

 

 Figure 6: Example of the oxygen consumption rate and the cumulative oxygen consumption curve for 

seven‐day resuspension event. The oxygen consumption is divided into three phases. Phase 1 = The 

biochemical oxidation of reduced compounds (blue), Phase 2 = nitrification of ammonium (orange), 

Phase 3 = mineralisation of organic matter (red). 

The  proportions  of  the  processes  in  the  total  oxygen  consumption  were  spatially  and 

temporally different and were controlled by the sediment composition and age. In general, 

the mineralisation  showed  the  largest  share  of  the  total  consumption  if  one  considers  an 

incubation period of seven days (168 h). The proportions of biochemical oxidation of reduced 

compounds and nitrification varied widely and may account for more than half of the seven 

days oxygen consumption. However, it must be considered that these results refer to a long 

incubation period. With decreasing incubation time, the proportion of mineralisation in the 

total consumption also decreases. A statistical evaluation showed no significant differences 

between the layers, the locations (fairway, entrance, and end areas of the harbour basins), 

and  the  calculated  process  proportions  involved  in  the  OCP.  There  was  only  a  significant 

difference within the proportions of the processes in sediments older or younger than two 

years.  Sediments  older  than  two  years  consumed  more  oxygen  through  the  biochemical 

oxidation of  reduced  compounds  (Figure 7). Nitrification and mineralisation  showed  lower 

Page 28: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

27 

proportions of the total consumption. This can be attributed to the age of the organic material. 

During degradation, labile organic compounds are preferentially degraded, which leads to a 

selective  decrease  in  the  reactivity  of  the  organic material  over  time  (Arndt  et  al.  2013). 

Additionally, with ongoing anaerobic degradation of organic matter sulphate respiration leads 

to  an  accumulation  of  reduced  sulphur  compounds  (FeS  or  FeS2),  resulting  in  a  higher 

proportion in the total oxygen consumption. 

 Figure 7: Schematic illustration of the sediment age‐related changes in sediment composition and the 

resulting changes in the percentages of the sub‐processes involved in OCP during an incubation period 

of 168 hours. 

 

4.3 Seasonal Dynamic 

In the laboratory, samples from the summer months showed an OCP up to 5.5 times higher 

than samples from the winter (Figure B 6). Seasonal dynamics in water temperature, in the 

water's oxygen content, or in the formation of algal blooms influence the sediment and pore 

water composition and the OCP of  the sediments.  Increased water temperatures  lead to a 

reduction of the solubility of oxygen in the water and to increased microbiological activity. As 

a result, this causes a change in the pore water composition due to more reduced conditions. 

The porewater is therefore enriched with ammonium (decomposition of organic matter) and 

reduced sulphur compounds such as H2S, FeS and FeS2 (sulphate reduction). A resuspension 

leads  to  an  increased  oxygen  consumption  by  releasing  these  substances.  A  reduction  in 

headwater discharge results in an increased sedimentation of finer particles and thus to an 

accumulation  of  organic material  associated with  the  fine‐grained  fraction  (de Haas  et  al. 

2002;  Giles  et  al.  2007).  The  increased  algae  masses  also  lead  to  an  enrichment  of  the 

sediment with fresh, easily degradable algae biomass. The chlorophyll concentrations varied 

from  50  to  250 µg g d.wt.‐1  between  winter  and  summer  (Figure  B  7).  As  a  result,  the 

Page 29: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

28 

sediments are enriched with Ntotal, which leads to a tighter TOC/Ntotal ratio in summer. What 

fits  well  into  the  overall  picture  is  that  the  quotient  between  the  measured  oxygen 

consumption and the TOC content of the sediments was subject to a seasonal dynamic (Figure 

B 7). The results showed that more oxygen per gram TOC is consumed in summer, indicating 

a change in the organic matter's degradability. 

 

4.4 Spatial Variability 

The upper Elbe estuary had a  strong  spatial  variability  regarding  the OCP  (Figure B 9) and 

sediment parameters. The lowest OCP was determined at site 7 with 0.005 mmol O2 g d.wt.‐1 

and an almost 200‐fold higher value was determined at site 4 with 0.967 mmol O2 g d.wt.‐1. 

Both  sites were  strongly  contrasting  in  terms of  TOC,  chlorophyll,  and  sand content. Clear 

statements about the spatial behaviour of the OCP of sediments between the different sites 

(fairway,  entrances,  and  the  end  of  different  harbour  basins)  cannot  be  made  since  the 

number of samples is too small. However, certain spatial statements can be made. The OCP 

of the sediments showed a decrease with increasing stream‐km (Figure B 9). This results from 

a  reduced  input of  fresh biomass  (distance  to  the Middle Elbe  increases) combined with a 

decrease in the degradability of the organic mass, as described by Zander et al. (2020). The 

transition zone from the shallower (2.7 m below MSL) to the deeper area (15 m below MSL) 

of the Port of Hamburg leads to an increased accumulation of dead algae. The increased water 

depth  creates  a  larger  lightless  area  in  the  water,  which  causes  the  death  of  the  algae 

(Schöl et al. 2014). Accordingly, the sediments are enriched with fresh algal biomass, which 

leads  to  an  increase  in  OCP.  The  distance  from  possible  sources  of  oxygen‐consuming 

substances and labile organic matter input controls the OCP of sediments on a spatial scale. 

 

4.5 Prognosis Model 

To improve predictions and water quality models, we developed a model that calculates the 

OCP of sediments based on the Ntotal content. Together with the chlorophyll content, the Ntotal 

content  showed  the  highest  correlations  with  the  OCP  of  the  sediments  for  both 

measurement approaches. For the model Ntotal was selected because it is one of the standard 

parameters in sediment analysis and this parameter is also measurable in the lower sediment 

layers. The prediction model describes the three processes involved in oxygen consumption. 

The biochemical oxidation of reduced compounds and the mineralisation of organic matter 

are described by first order degradation functions and the nitrification by a constant rate with 

a certain duration. The respective function parameters are calculated by means of established 

correlations and the Ntotal content of the sediments. The prognosis model was developed using 

the data from the 1st approach and validated using the data from the 2nd approach. A linear 

regression between the modelled and measured oxygen consumption showed a good fit with 

an R2 of 0.840 (1st approach) and an R2 of 0.818 (2nd approach) for an incubation period of 

168 h.  Figure  8  shows  an  example  of  a  comparison  between  the  measured  oxygen 

consumption  and  the  oxygen  consumption  derived  from  the  prediction  model  with  its 

Page 30: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

29 

individual components. The total oxygen consumption results from the sum of the individual 

processes and can be calculated for any time of resuspension. 

 

 Figure  8:  Comparison  between measured  and  predicted  oxygen  consumption  calculated  from  the 

prognosis  model  based  on  the  Ntotal  content  of  the  sample.  The  model  calculates  the  oxygen 

consumption  based  on  the  biochemical  oxidation  of  reduced  compounds  (SO42‐‐formation),  the 

nitrification  of  ammonium,  and  the mineralisation  of  organic matter.  The  sum  results  in  the  total 

oxygen consumption of the sample. 

For shorter resuspension times of 3 h and 24 h the model also provided good adjustments  

(Figure A 5). For both approaches, the R2 was greater than 0.784. The slope of the regression 

line ranged between 0.609 and 1.152, which can lead to an overestimation or underestimation 

of the total oxygen consumption. The results from the 2nd approach showed a clear difference 

in the adjustment between the winter and summer samples. The summer samples showed a 

lower scatter and smaller NRMSE than the winter samples. This difference can be attributed 

to seasonal processes that are not covered by our model. The activity and composition of the 

microbial community, the quality of the organic matter or a changed TOC/Ntotal ratio can lead 

to  the differences. Nevertheless,  the model provides a  good basis  to  calculate  the OCP of 

sediments  in  the  relevant warm  season  and  thus  to  determine  the  influence  of  increased 

quantities of resuspended sediment. 

 

4.6 Oxygen Consumption under Stable Conditions 

A clear temperature dependence can be seen in the oxygen consumption of sediments under 

stable conditions  (Figure C 3). With  increasing  temperature,  the oxygen penetration depth 

decreased,  and  the  oxygen  consumption  rates  increased,  which  is  consistent  with  other 

studies (Seiki et al. 1994; Hancke and Glud 2004; de Klein et al. 2017). The rising temperature 

also  increases  the microbial  activity  (McDonnell  1969),  which  leads  to  higher metabolism 

rates. However, the temperature effect was smaller than expected (10‐degree rule), since the 

Page 31: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

30 

decrease of the penetration depth also reduces the sediment volume and thus the number of 

organisms involved in oxygen consumption. 

Seasonality in the sediment composition of the upper millimetres and the input of fresh 

organic material seems to have a greater effect on oxygen consumption rates than the spatial 

variability. The Köhlfleet site had a TOC and Ntotal content twice as high as the Hansahafen site, 

with  both  sites  showing  similar  oxygen  consumption  rates.  The  sample  with  the  largest 

temperature  change  was  taken  in  August  2018  (Fairway  Norderelbe).  The  TOC  and  Ntotal 

contents of this sample were between those of the other two samples, but the August sample 

had the lowest TOC/Ntotal ratio. A low TOC/Ntotal ratio indicates fresh and easily degradable 

organic matter. In addition, higher temperatures in August can lead to more anoxic conditions, 

which  enriches  the  sediment  pore  water  with  more  reduced  compounds.  Furthermore, 

Therkildsen  and  Lomstein  (1993)  also  found  out  that  the  sediment  macrofauna  biomass 

correlates positively with temperature. Van Duyl and Kop (1994) found no seasonal changes 

in the microbial biomass, but an increased productivity of the bacteria in August compared to 

February.  Therefore,  the  spatial  distribution  of  TOC  and Ntotal  and  its  influence  on  oxygen 

consumption rates may be of less importance and seasonal changes are of larger relevance. 

Therefore, an increased productivity and or biomass may be the reason for a higher SOD under 

stable conditions at the location Fairway Norderelbe, as sampling took place in August. 

The measured SOD values are consistent with the results of other authors, where SOD 

represents more than 50% of the total oxygen consumption in the water phase. This indicates 

that the sediments could have a strong influence on the oxygen balance of the Elbe water. 

However,  in  the  studies  mentioned,  the  SOD  was  determined  by  chamber  incubation 

experiments and not by oxygen microprofiles. A comparison of different methods (chamber 

incubation with total oxygen uptake and oxygen microprofiles) for the determination of SOD 

showed that oxygen microprofiles can lead to an underestimation of total SOD (Kim and Kim 

2007). Glud et al. (1994) showed in their experiments that the total oxygen uptake was 1.2 to 

4.2 times higher than the diffuse oxygen consumption. Rasmussen and Jørgensen (1992) also 

found  that  the  total  oxygen  uptake  was  on  average  145 %  higher  than  the  consumption 

calculated from the microprofiles. Both studies explained the difference with the presence of 

benthic macrofauna and that the total oxygen uptake  is strongly related to ventilation and 

respiration by macrofauna. In contrast, in the absence of macrofauna, measurements of total 

oxygen uptake and microprofiles lead to similar results (Rasmussen and Jørgensen 1992). 

   

Page 32: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

31 

5 Outlook and Implications 

For  the  first  time,  a  detailed  study  of  the  sediment  oxygen  consumption  in  the  estuarine 

harbour of Hamburg was conducted. The aim was to record the spatial and seasonal variability 

of the sediment oxygen consumption and their dependency on sediment properties precisely 

and to estimate the influence of the sediments on the oxygen balance of the Elbe water. The 

background of these investigations was the frequent occurrence of oxygen minimum zones in 

the upper Elbe estuary, where the basic oxygen‐consuming processes in the water phase are 

known,  yet  the  influence  of  the  sediments was  still  unclear.  The  obtained  results  help  to 

improve the understanding of the influence of sediments on the oxygen budget of the upper 

Elbe estuary and to better estimate possible effects of human activities such as ship traffic and 

maintenance measures in the harbour. 

In  the Elbe estuary,  the variability of  the OCP of sediments under resuspension  is –  in 

addition  to  the  hydrographic  conditions  – mainly  controlled  by  the  input  of  fresh  organic 

matter and the changed redox condition due to a change in water temperature and oxygen 

concentration.  At  one  monitoring  site,  the  summer  sediment  samples  showed  a  5.5‐fold 

higher OCP than the winter samples. Likewise, lower discharge rates and higher algae activities 

in summer lead to an increase in sedimentation of finer and more reactive particles. It has to 

be taken into account that the seasonal effect of resuspension of sediments is even larger as 

quantified in the laboratory, as here the temperature is kept constant, whereas in the river in 

winter the lower water temperature reduces the oxidation processes additionally. We found 

a high spatial variability in the sediment composition within the Port of Hamburg. Thus, an 

extrapolation of the local findings to the whole area of the upper estuary was not possible. 

For this aim, a mapping of the sediment properties  is a prerequisite. However, we found a 

longitudinal gradient in the OCP of the sediments, whereby the OCP decreases with increasing 

stream‐km.  In addition,  spatial  changes  can  serve as  a hot  spot  for  the enrichment of  the 

sediments with fresh organic matter, which leads to a high OCP of the sediments.  

Based on our laboratory findings, three processes with varying kinetics control the oxygen 

consumption within seven days of sediment resuspension: The fast biochemical oxidation of 

reduced compounds, the nitrification of ammonium to nitrate with a mean velocity, and the 

slow mineralisation of organic matter. The total oxygen consumption strongly correlated with 

the chlorophyll content, Ntotal and TOC content of the sediment. Based on these results, we 

developed a prognosis model  that  allows us  to  calculate  the OCP of  the  sediments during 

resuspension based on a single sediment parameter (Ntotal). The model was created using data 

from summerly sediment samples of different origin and was validated with the two‐years 

data  of  the  samples  of  one  position.  It  calculates  the  respective  proportions  of  the  three 

oxygen‐consuming processes and the total consumption for any desired resuspension time 

within seven days. The model shows a good adjustment during the critical months (April to 

August) for the oxygen budget, while the OCP of the winter samples  is  less well fitted. We 

explained  this  by  the  fact  that  the  data  set  used  for  the  development  of  the model  was 

collected  in  summer.  Accordingly,  the  sediment  properties  are  characterized  by  summer 

conditions. During winter times, the OCP is generally smaller and thus the difference between 

Page 33: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

32 

measurements and model estimates is relatively larger. The model provides good results for 

the crucial summer period (April to August), where oxygen minimum zones occur. However, 

there is still a lack of data to improve the forecast for the winter months. For this, additional 

data would have to be collected in winter and then used to refine the model. For the critical 

month  of  the  year,  we  have  developed  a  tool  that  helps  us  to  calculate  the  oxygen 

consumption of resuspended sediments with only basic knowledge of sediment properties. 

This allows improving water quality models, since many numerical models do not consider the 

influence  of  resuspension  (Moriarty  et  al.  2018).  Especially  in  port  areas,  where  large 

quantities of sediment are dredged and resuspended, it can be of great interest to calculate 

the possible impact of these measures on the environment and to include seasonal variation 

to prevent negative effects. 

Oxygen consumption also takes place under stable conditions. To our knowledge, this is 

the  first  time  that high‐resolution oxygen depth profiles have been measured  in  sediment 

cores from the Hamburg harbour area to determine the oxygen consumption of sediments 

under stable conditions. The results showed that under these conditions sediments have a 

high  potential  to  remove  oxygen  from  the water  phase.  The  temperature  showed  a  clear 

influence on the oxygen consumption. In addition, the seasonal influence on the SOD under 

stable conditions seems to be of greater  relevance  than the spatial  influence due to more 

input of organic matter, higher microbial activity, and more reduced conditions in summer. 

Oxygen consumption during resuspension is a time‐limited process (usually a few hours), 

which can exceed the oxygen consumption at stable conditions multiple times. The increased 

oxygen  consumption  potential  results  from  the  sudden  release  of  oxygen‐consuming 

compounds  (e.g.  from sulphur, nitrogen, and  iron) when  the sediment  is disturbed. Under 

stable  conditions  in  contrast,  the  oxygen  consumption  rate  is  lower  but  takes  place 

continuously and can therefore have a strong influence on the oxygen balance. 

Both  experimental  approaches  to  determine  the  oxygen  consumption  of  sediments 

during resuspension provide a small differently selected view on the role of sediments on the 

oxygen consumption. The oxygen consumption during resuspension gives information about 

the  oxygen  consumption  potential  when  the  sediment  is  disturbed.  Oxygen  consumption 

determined  by  high  resolution  oxygen  depth  profiles  tells  us  how  strong  the  sediment's 

biochemical  oxygen  consumption  is  but  neglects  the  respiration  of  fauna  living  in  the 

sediment.  This  oxygen  consumption  can  be  determined  by  chamber  experiments.  For  a 

complete  consideration  and  differentiation  of  the  oxygen  consumption  of  sediments,  the 

consumption  by  the  oxic  sediment  layer  (oxygen  depth  profiles),  the  consumption  of  the 

sediment surface including the respiration of fauna (chamber incubation), the consumption 

during resuspension of sediments, and the oxygen consumption in the water phase must be 

taken into account. Only this clear distinction enables us to obtain a more detailed idea of the 

effects of sediments on the oxygen balance of the Elbe River water.  

We were able to answer our research questions regarding the OCP of sediments in the 

upper Elbe estuary and their controlling  factors. To  integrate  this knowledge  into practise, 

three steps seem to be relevant: 

Page 34: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

33 

The first step is to transfer the knowledge gained from the point data to the whole 

area of the upper estuary by mapping the sediment properties. This step is necessary 

to improve the understanding of local maintenance measures on possible effects on 

the  oxygen  budget. While  mapping  the  sediment  properties,  the  database  on  the 

oxygen consumption at stable conditions should be expanded in order to clarify the 

relationship  between  sediment  properties  and  oxygen  consumption  and  to  better 

describe the seasonal and spatial aspects. 

In addition, there are still questions about the temporal significance of resuspension 

effects to be solved. Currently, it is still largely unknown how long the various sediment 

particles  remain  in  resuspension  and  thus  to  which  proportion  the  three  oxygen‐

consuming  processes  really  take  place.  Therefore,  detailed  in‐situ  investigations 

should be carried out during a resuspension event. The experiments should cover the 

entire  water  column  and  the  oxygen  consumption  and  sedimentation  rates.  An 

analysis of the water composition (important anions and cations) before, during, and 

after  resuspension can provide  information about  the prevailing oxygen‐consuming 

sub‐processes. 

The knowledge of this thesis should be integrated into water quality models for the 

upper  Elbe  estuary.  The  seasonality  (temperature,  the  input  of  fresh  biomass,  and 

sedimentation of particles) and the effect of resuspension should be included in the 

models. With the help of our model, the individual oxygen‐consuming sub‐processes 

can be represented in order to better assess the influence of human activities. 

Our results,  including the three steps,  improve the understanding of the sediment‐induced 

influence on the oxygen budget of the upper Elbe estuary and can help to characterise possible 

impacts of  climate  change on  sediment  composition  and  the OCP.  This will  help  to better 

assess  the  effects  of  dredging  operations  in  combination  with  a  change  in  sediment 

composition due to climate change. A possible decrease in precipitation and an increase in 

temperature during  the  summer months may  result  in  an  even  larger  difference between 

summer and winter until the system is overturned, for example by exceeding the optimum for 

algal growth or microbial activity. 

 

Page 35: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper
Page 36: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

35 

Appendix publication A

Oxygen Consumption of Resuspended Sediments of the Upper Elbe 

Estuary: Process Identification and Prognosis  

 

 

 

M.J. Spieckermann1, A. Gröngröft1, M. Karrasch2, A. Neumann3, A. Eschenbach1 

 

 

 1 Institute of Soil Science, CEN, University of Hamburg, Hamburg, Germany 

2 Hamburg Port Authority, Hamburg, Germany 3 Institute of Coastal Research, Helmholtz‐Zentrum Geesthacht, Geesthacht, Germany 

 

 

 

 

 

AUTHOR CONTRIBUTION: The authors Mathias Spieckermann, Alexander Gröngröft, 

Maja Karrasch and Annette Eschenbach conceived and designed the study. Material 

preparation, data collection and analysis were carried out by Mathias Spieckermann and 

Alexander Gröngröft. The analysis of chlorophyll was carried out by Andreas Neumann. The 

first draft of the manuscript was written by Mathias Spieckermann and Alexander Gröngröft. 

All authors contributed through discussion on the interpretations of the results. 

   

Page 37: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

36 

Abstract 

The  resuspension  of  sediment  leads  to  an  increased  release  of  nutrients  and  organic 

substances into the overlying water column, which can have a negative effect on the oxygen 

budget. Especially in the warmer months with a lower oxygen saturation and higher biological 

activity,  the  oxygen  content  can  reach  critical  thresholds  in  estuaries  like  the  upper  Elbe 

estuary. Many studies have dealt with the nutrient fluxes that occur during a resuspension. 

However, the sediment properties that influence the oxygen consumption potential (OCP) and 

the different biochemical  processes have not been examined  in detail.  To  fill  this  gap, we 

investigated the biochemical composition, texture, and OCP of sediments at 21 locations as 

well as the temporal variability within one location for a period of 2 years (monthly sampling) 

in the upper Elbe estuary. The OCP of sediments during a seven‐day resuspension event can 

be  described  by  the  processes  of  sulphate  formation,  nitrification,  and  mineralisation. 

Chlorophyll, Ntotal  and TOC  showed  the highest  correlations with  the OCP. Based on  these 

correlations, we developed a prognosis model to calculate the oxygen consumption for the 

upper  Elbe  estuary with  a  single  sediment  parameter  (Ntotal).  The model  is well  suited  for 

calculating  the  oxygen  consumption  of  resuspended  sediments  in  the  Hamburg  port  area 

during the relevant warmer months (NRMSE <0.11 ± 0.13). Thus, the effect of maintenance 

measures such as water injection dredging and ship‐induced wave on the oxygen budget of 

the water can be calculated. 

A.1 Introduction 

Resuspension of sediments causes diverse consequences to the aquatic environment. One of 

these is the increased consumption of dissolved oxygen in the river water phase. Low oxygen 

concentration in river and estuarine systems is critical for fish populations (Thiel et al. 1995; 

Miller et al. 2002; Rong et al. 2016) as well as for the trophic interaction (Breitburg et al. 1997). 

According to Veenstra and Nolen (1991), sediment oxygen demand (SOD) is defined as the 

rate of oxygen consumption, biologically or chemically, on or in the sediment at the bottom 

of a water body. The SOD combines two main oxygen sinks: (i) the sediment oxygen uptake 

by aerobic mineralisation of organic matter (OM) as well as oxidation of reduced substances 

and (ii) the flux of reduced substances out of the sediment (Steinsberger et al. 2019). In natural 

rivers, SOD can account for more than 50% of the total oxygen consumption (Rutherford et al. 

1991; Matlock et al. 2003) besides respiration and the degradation of organic carbon in the 

water phase. Therefore, it is crucial to examine the total oxygen demand caused by sediments 

and to understand the share of involved processes.  

In  the upper part of  the Elbe estuary with  the Port of Hamburg and all  its harbour 

basins, a strong decline in dissolved oxygen concentrations is frequently observed during the 

summer months (Bergemann et al. 1996; Schroeder 1997; Schöl et al. 2014). This decline is 

mainly  attributed  to  algal  respiration  and  carbon degradation  (Schroeder  1997)  as well  as 

zooplankton  grazing  (Schöl  et  al.  2014).  Schroeder  (1997)  postulated  that  nitrification  and 

sediment processes are of minor relevance, while Sanders et al.  (2017) found a substantial 

Page 38: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

37 

amount of nitrification in the Hamburg area in spring and summer. Kerner (2000) also came 

to the conclusion that microbial oxygen consumption coupled with the degradation of freshly 

transported organic material from the upper stream controls the oxygen concentration in the 

warmer  seasons. However,  the  influence of  the biochemical  sediment  composition on  the 

oxygen consumption within the Hamburg area is still unknown.  

In the Hamburg port area, the sedimentation rate in the fairway and in the adjacent 

port basins is high. Each year, an amount of 1.7 to 6 million tons of dry substance must be 

dredged  to  keep  the  fairway navigable  (2010–2018; Hamburg Port Authority,  unpublished 

data).  

Physical processes  lead to a resuspension of sediments, and this causes a  local and 

temporary  increase of reduced  inorganic compounds and organic matter within the water, 

which enhances oxygen consumption (Sloth et al. 1996; Almroth et al. 2009). The SOD during 

resuspension is the sum of multiple processes driven by the oxygen supply, the biochemical 

processes  taking place, and the sediment properties. Barcelona  (1983) and Rong and Shan 

(2016) divided the SOD into chemical oxidation of dissolved iron, manganese, and hydrogen 

sulphide/sulphur,  and  into  biochemical  oxidation  of  ammonium  and  nitrite  to  nitrate,  in 

addition to the mineralisation of organic matter and respiration. 

Resuspension of sediments takes place in both limnic and marine areas worldwide. It 

occurs when the shear stress is high enough to transport sediment particles into the water 

column (Almroth et al. 2009). This critical shear stress can be exceeded by natural forces such 

as tidal currents, wind, and biological activities (Sanford et al. 1991; Graf and Rosenberg 1997), 

or by human activities such as shipping and dredging (Cappuyns et al. 2006).  

To  our  knowledge,  the  influence  of  such  activities  on  the  oxygen  budget  of water 

bodies  has  not  yet  been  quantified.  Many  numerical  models  that  calculate  biochemical 

processes within  the water phase exclude  the resuspension of  sediments and  its effect on 

oxygen and nutrient dynamics (Moriarty et al. 2018).  

Therefore, the objective of this study is to (i) derive the OCP of sediments from typical 

sediment parameters;  (ii) quantify  the sediment oxygen consumption; and  (iii) analyse  the 

biochemical composition and texture of the sediments within the upper Elbe estuary. This was 

performed by two sampling campaigns in which the spatial variability and temporal dynamics 

of the sediments were investigated.  

Our  methodological  approach  includes  the  continuous  measurement  of  oxygen 

consumption during resuspension of the sediments for seven days at constant temperature. 

By analysing the change in sulphate and nitrate concentrations as well as the production of 

carbon dioxide, we were able to calculate the oxygen consumption stoichiometrically and to 

distinguish  among  oxygen  consumption  due  to  sulphate  formation,  nitrification,  and 

mineralisation  of  organic matter.  Finally,  one  set  of  the  sediment  properties was  used  to 

calibrate a forecast model to estimate the OCP. This model was then validated with a second 

set of data from a temporal analysis. The aim of the study is to understand the individual sub‐

processes  that  lead  to  oxygen  consumption  during  resuspension  and  to  derive  a  simple 

prognosis model  for  future  practical  application.  This  study  aims  to  answer  the  following 

research questions: 

Page 39: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

38 

(1) Which  biochemical  processes  control  the  OCP  of  sediments  during  a  seven‐day 

resuspension?  

(2) What  is  the  share of  the main biochemical processes  compared  to  the  total OCP of 

sediments? 

(3) Which sediment properties control the OCP? 

(4) Can the OCP of sediments be predicted by using sediment parameters? 

A.2 Material and Methods 

A.2.1 Study Site and Sampling 

The  upper  Elbe  estuary  (Germany),  characterized  by  fresh  water  from  the  Middle  Elbe, 

stretches from the weir Geesthacht (stream‐km 586) 46 km downstream to Wedel (stream‐

km 541) and includes the large area of the Port of Hamburg. Between stream‐km 609 and 626, 

the Elbe  forms an  inland delta with  the Northern Elbe and  the Southern Elbe as  its major 

branches.  With  the  start  of  the  trafficability  for  ocean  vessels  at  about  stream‐km  619 

(Southern Elbe) and stream‐km 624 (Northern Elbe), the depth of the fairway and the harbour 

basins has been increased to 15 m. 

Two sampling campaigns were carried out. The first campaign aimed at obtaining a 

large number of sediments with different properties. For this purpose, samples were taken at 

21 locations in the Hamburg area between 2017‐06‐30 and 2017‐07‐04. The sites were located 

in the fairway, in the entrance area and end area of the different harbour basins, and in the 

upper stream. The second sampling campaign aimed to investigate the seasonal changes in 

sediment  properties  and  their  influence  on  the OCP.  Sampling  took  place monthly  at  one 

location in the Port of Hamburg, from December 2016 to November 2018, except for August 

2017 and July and October 2018, when no samples could be taken. 

Samples were taken from a ship with a core sampler (Frahm‐Lot, length 80 cm, inner 

diameter 10 cm).  For  further  analyses,  two  layers  per  core  (0–20 cm  and  40–60 cm) were 

sampled. To determine the sediment depth, we only used cores that contained at least 60 cm 

of sediment and some supernatant water. Each single sampling consists of three parallel core 

samples that were combined to mixed samples of respective sediment depth. However, the 

actual sampling points were about 1 to 10 meters apart from each other. Aboard the ship, 

sediment  samples were  filled  into  airtight  jars  (1,000 ml  volume)  up  to  the  rim  and  then 

transported to the laboratory. This procedure was carried out for the first sampling campaign 

and the  first eight sampling dates  (until May 2017) of  the second campaign. Later on,  two 

parallels were taken per sampling, and the corer was improved such that it could be divided 

into three segments. These core segments were separated in the laboratory, and the sediment 

was removed and homogenized under nitrogen atmosphere. Each homogenized sample was 

divided  into  two  subsamples  and  stored  at  4 °C  until  measurement  started.  The  first 

subsample was  used  to  determine  the OCP,  and  the  airtight  jar was  opened  only  for  this 

purpose. The second subsample was used to extract  the pore water and to determine the 

sediment solid parameters. At the locations 2, 6, 17, and 18 no samples could be taken for the 

lower layer.  

Page 40: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

39 

A.2.2 Sediment Characterisation 

The pore water was extracted through centrifugation at 2,816 rcf (relative centrifugal force) 

for 30 min. Afterwards it was vacuum filtered through a 0.45 µm cellulose acetate filter under 

a  nitrogen  atmosphere.  Ammonium  was  measured  photometrically 

(Photometer DR5000, Hach, USA)  using  the  indophenol  blue method  (DIN  38406‐5) within 

three  days  after  sampling.  Sulphate,  nitrate,  and  nitrite  were  analysed  with  an  ion 

chromatograph (Metrohm, Germany) according to DIN EN ISO 10304‐1. Dissolved  iron and 

manganese were analysed with a flame atomic absorption system AA280FS (Agilent, USA) as 

given by DIN 38406‐32 and DIN 38406‐33. 

For the analysis of solid parameters, mixed samples were dried at 105 °C and ground 

for  analysis  of  carbon  and  nitrogen  content.  Total  carbon  and  nitrogen  (Ntotal)  were 

determined by dry combustion using a Vario MAX cube analyser (Elementar Analysensysteme 

GmbH, Germany) (DIN ISO 10694). Inorganic carbon was determined after acidification with 

42.5% phosphoric acid according to Luther‐Mosebach et al. (2018). Organic carbon (TOC) was 

obtained by difference. The grain size fraction <20 µm was estimated by the sedimentation 

method (DIN ISO 11277).  

Chlorophyll concentrations were measured as an indicator for the biomass of algae. 

Therefore, 50 ml of the homogenized samples from the upper sediment layer (0–20 cm depth) 

were freeze‐dried. The samples were extracted with 90% acetone, and the concentrations of 

chlorophyll‐a  and  pheophytin‐a  were  determined  according  to  Lorenzen  (1967).  The 

chlorophyll value given in this study represents the sum of the chlorophyll‐a concentration 

and its degradation product pheophytin‐a.  

A.2.3 Oxygen Consumption 

The OCP of sediments during resuspension was measured with the respirometer BSB‐digi O2 

(Selutec, Germany) at 20 °C ± 0.5 °C. The respirometer measures the power consumption for 

electric oxygen production, which is necessary to compensate for the uptake of oxygen and 

thus  keep  the  internal  pressure  in  the  chamber  constant.  The  CO2  produced  by  the 

mineralisation was adsorbed in 1 M sodium hydroxide solution. For further information, see 

Young  et  al.  (1965),  Montgomery  (1967),  and  Young  and  Baumann  (1976).  Of  the  fresh 

sediment,  30 g  were  bottled  (500 ml)  under  a  nitrogen  atmosphere  to  avoid  oxidation 

processes and 200 ml demineralised water were added. The suspension was stirred at 300 

revolutions per minute. OCP was measured continuously for 168 h, and data were recorded 

in 0.5 h intervals. Using the cumulative oxygen consumption curves, the oxygen consumption 

rate  and  the  total  OCP  after  168 h  were  calculated.  Three  parallel  measurements  were 

conducted per sample. However, some incubations failed during the experiments. Therefore, 

the indicated errors are the minimum and maximum of the measured values as given in the 

figures. All runs were made in the absence of light. Immediately after each experiment, the 

supernatant water was  filtered and analysed  for nutrient concentration. To determine  the 

share of the mineralisation compared to the total consumption, the CO2 adsorbed in NaOH 

was quantified by titration with 0.1 M HCl solution and phenolphthalein as an indicator. The 

Page 41: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

40 

absorbed CO2 was calculated 1 to 1 into oxygen consumption. Parallel to the samples, blank 

values were measured with demineralised water, which were subtracted from the samples. 

For five samples (1 L1, 2 L1, 4 L1 and L2, and 8 L2) the CO2 formation could not be determined 

because the CO2 production exceeded the sorption capacity of the NaOH. For these samples, 

the proportion of the mineralisation was calculated using the cumulative oxygen consumption 

curves. A linear fit was adjusted to the curves for the period from hour 100 to hour 168, in 

which to our knowledge the consumption rate is characteristic of the mineralisation of organic 

matter. The regression was forced through the origin, and the calculated value after 168 h is 

given as the proportion of mineralisation in the total oxygen consumption. 

In two additional sets of incubation experiments, the effect of ammonium on oxygen 

consumption was analysed. Therefore, a sediment sample was incubated with and without an 

addition of ammonium. The sample originated from location 10 and was taken on 2018‐06‐

22. The suspension was also prepared with 250 ml of demineralised water. At the beginning, 

50 ml  of  the  suspension were  sampled  to  determine  the  initial  ammonium  concentration. 

Experiment A had an additional ammonium concentration in the suspension of 978 µmol l‐1 

and experiment B of 1,911 µmol l‐1. Per experiment, we measured six replicates with and six 

replicates  without  the  addition  of  ammonium.  At  the  beginning  of  the  experiments,  the 

ammonium concentration in each suspension was measured. Then after 24, 48, and 168 h, 

two incubations were stopped and the remaining ammonium concentration in the suspension 

was analysed. Experiment A was stopped after 138 h due  to a  failure of  the respirometer. 

Therefore, the ammonium concentration was determined after 138 h. 

A.2.4 Calculation of Oxidation Reactions 

The  oxygen  consumption  was  calculated  stoichiometrically  based  on  the  change  in 

concentration  of  the  involved  compounds  in  the  pore water  after  sampling  and  after  the 

incubation. The oxidation reactions are given in Equations 1–6 (mineralisation, nitrification in 

two  steps,  and  the  oxidation  of  iron,  manganese,  and  hydrogen  sulphide,  respectively). 

Equation 6  stands  for  the oxygen  consumption during  the  formation of  sulphate.  Because 

sulphur can be present in different compounds (FeS and FeS2, Schippers and Jørgensen 2001) 

and sulphate can be the product of different oxidation reactions, we assume that two moles 

of oxygen were consumed per mole of formed sulphate. The oxygen consumption due to the 

oxidation of  the metals  is neglected here, as we do not know the relation of  the different 

sulphur compounds. 

  C H O 6 O → 6 CO 6 H O  (1)

 

  NH 1,5 O → NO H O 2 H   (2)

 

  NO 0,5 O → NO   (3)

 

  2Fe 0.5 O 2 H O → Fe O 4 H   (4)

 

Page 42: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

41 

  Mn 0.5 O H O → MnO 2 H   (5)

 

  MeS 2 O → SO 2 H   (6)

 

Spearman correlation analyses were performed using the software OriginLab (Pro) (Version 

2019b). 

A.2.5 Development of an Oxygen Consumption Model 

In order to develop a model for the calculation of oxygen consumption we used the following 

approach:  (i)  The  cumulative  oxygen  consumption  curves  of  the  samples  from  the  spatial 

investigation were  divided  into  three  phases. We have  fitted  the  respective  curves  of  the 

individual phases. (ii) The resulting function parameters of all samples were correlated with 

the sediment properties. This resulted in six linear or nonlinear regression equations between 

sediment  properties  and  parameters.  Using  the  sediment  properties,  we  were  able  to 

calculate  the  six  parameters  per  sample,  which  allowed  us  to  calculate  the  oxygen 

consumption and their involved processes along the time‐line. For all samples the normalized 

root mean squared error (NRSME) between measured and modelled oxygen consumption was 

calculated. (iii) To validate our model the samples from the second campaign were used. Using 

the sediment properties,  the six parameters per sample were determined, and the oxygen 

consumption was calculated.

A.3 Results 

A.3.1 Characterisation of the Sediments 

The  samples  from  the  spatial  investigation  showed  a  strong  variability  in  their  sediment 

composition (Table A 1). Location 7 had the lowest TOC content with 0.2%‐d.wt. and location 

4  the  highest with  6.3%‐d.wt.  TOC  showed  a  high  positive  correlation with  the  grain  size 

fraction <20 µm (rsp = 0.780; p <0.01). A high variability can also be seen in the Ntotal content. 

The TOC/Ntotal ratio of all samples varied between 7.3 and 10 for the top layer and between 

8.2 and 10.9 for the bottom layer. In general, the lower layers had higher TOC/Ntotal ratios than 

the  upper  ones.  Chlorophyll was measured  only  for  the  upper  layer  and  showed  a  strong 

variability among the different sites. 

The  samples  from  the  second  measuring  campaign  showed  less  variation  in  their 

composition. Here, the maximum values for TOC, Ntotal, chlorophyll, and the grain size fraction 

<20 µm were found during the summer months combined with the lowest TOC/Ntotal ratio.  

   

Page 43: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

42 

Table A 1: Sediment properties for both campaigns. The results from the temporal analysis campaign are given with the measured minimum and maximum values. The  lower  layer was not analysed for chlorophyll. 

Position  Layer  TOC  Ntotal  TOC/Ntotal ratio  Chlorophyll  Particles <20 µm   [%‐d.wt.]  [%‐d.wt.]  [‐]  [µg g d.wt.‐1]  [%‐d.wt.] 

1  0‐20  6.1  0.68  8.9  369.7  67.3 

1  40‐60  3.1  0.34  9.1  ‐‐  38.9 

2  0‐20  6.2  0.79  7.9  801.6  83.1 

2  40‐60  5.7  0.65  8.7  ‐‐  75.8 

3  0‐20  2.9  0.31  9.3  150.4  40.3 

3  40‐60  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

4  0‐20  6.3  0.87  7.3  1100.9  83.6 

4  40‐60  5.4  0.64  8.4  ‐‐  79.1 

5  0‐20  1.4  0.18  7.9  195.2  24.1 

5  40‐60  2.3  0.25  9.3  ‐‐  23.4 

6  0‐20  4.8  0.50  9.6  260.1  63.6 

6  40‐60  4.4  0.41  10.9  ‐‐  44.7 

7  0‐20  0.2  0.02  10.0  1.7  0.8 

7  40‐60  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

8  0‐20  4.1  0.51  8.1  228.6  89.0 

8  40‐60  4.5  0.55  8.2  ‐‐  76.9 

9  0‐20  4.5  0.54  8.3  402.5  38.8 

9  40‐60  4.0  0.49  8.3  ‐‐  46.0 

10  0‐20  3.4  0.40  8.5  208.9  49.3 

10  40‐60  2.7  0.30  8.8  ‐‐  45.5 

11  0‐20  1.8  0.21  8.5  97.9  33.2 

11  40‐60  2.0  0.22  9.2  ‐‐  35.7 

12  0‐20  3.6  0.43  8.4  171.3  70.6 

12  40‐60  4.1  0.48  8.6  ‐‐  54.7 

13  0‐20  4.0  0.47  8.6  224.0  80.7 

13  40‐60  3.9  0.44  8.9  ‐‐  77.0 

14  0‐20  3.9  0.46  8.6  178.4  71.2 

14  40‐60  4.2  0.51  8.3  ‐‐  73.6 

15  0‐20  1.8  0.20  9.3  47.8  32.8 

15  40‐60  1.2  0.11  10.2  ‐‐  15.6 

16  0‐20  3.4  0.39  8.7  105.7  36.5 

16  40‐60  3.8  0.43  8.7  ‐‐  44.5 

17  0‐20  1.3  0.16  8.7  40.9  30.3 

17  40‐60  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

18  0‐20  0.9  0.09  9.5  18.4  14.8 

18  40‐60  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

19  0‐20  3.2  0.34  9.5  137.2  55.4 

19  40‐60  4.5  0.43  10.4  ‐‐  38.0 

20  0‐20  3.5  0.42  8.3  120.6  80.6 

20  40‐60  3.7  0.44  8.4  ‐‐  59.7 

21  0‐20  1.6  0.17  9.5  27.3  34.8 

21  40‐60  2.2  0.25  8.8  ‐‐  39.3 

Temporal  0‐20  1.3‐3.9  0.14‐0.46  7.5‐9.8  49.4‐257.7  17.1‐73.7 

Temporal  40‐60  1.6‐3.6  0.19‐0.45  7.2‐9.7  ‐‐  24.2‐71.5 

TOC total organic carbon, Ntotal total nitrogen, ‐‐ no sample could be obtained 

Page 44: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

43 

A.3.2 OCP 

During  the  incubation of  resuspended  sediment  samples  for  168 h  the  cumulative oxygen 

consumption  curves  and  more  noticeably  the  oxygen  consumption  rates  reflect  different 

phases of oxygen consumption. All samples showed the highest oxygen consumption during 

the first hours and at least one sharp decrease in the oxygen consumption rate. Afterwards 

the rate was often nearly constant for several hours before the rate droped a second time. 

Figure A 1a gives a typical example of the measured oxygen consumption (sample 6 L1). Here, 

after 16 h and 39% of the measured oxygen consumption the first bend point is reached. After 

another 42 h with nearly constant oxygen consumption rate the second decrease begins. At 

this moment 72% of the measured oxygen consumption has been measured. From 58 h to 

168 h the oxygen consumption rate is low and slightly further decreasing, forming a curved 

course of the cumulative consumption. This pattern applied to most of the measured oxygen 

consumption curves. However, some samples showed three decreases in the rates or even an 

increase in the rate after the first drop (Figure A 1b). After six hours the oxygen consumption 

rate decreases, and 26% of the measured oxygen consumption is reached. The rate remains 

constant for a few hours and then increases. After 35 h, the rate drops again, and 59% of the 

measured oxygen consumption  is reached.  It  then remains constant  for about 25 h, with a 

lower rate than in the previous phase. After 65 h the rate flattens for the third time, and 81% 

of the measured oxygen consumption is reached. 

 

 Figure A 1: Cumulative oxygen consumption (grey) during a 168 h incubation period and the respective 

oxygen  consumption  rates  (black)  for  locations  6  L1  (a)  and  13  L2  (b).  The  error  bars  indicate  the 

standard deviation (n=3). 

Page 45: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

44 

In  order  to  determine  the  influence  of  nitrification  on  the  oxygen  consumption  rate,  two 

incubation  experiments were  carried  out with  an  ammonium  addition  of  978 µmol l‐1  and 

1911 µmol l‐1 (Figure A 2). As expected from equations (2) and (3), the samples with additional 

ammonium displayed (i) a higher oxygen consumption than preparations without additional 

ammonium and  (ii)  a  later occurrence of  the  second decrease  in  the oxygen  consumption 

curve.  After  the  second  decrease,  no  remaining  ammonium was  detected  in  the  samples 

(Table  A  2).  These  results  indicate  that  nitrification  has  a  strong  influence  on  the  oxygen 

consumption  and  that  the  second  phase  in  the  consumption  curve  is  controlled  by 

nitrification. 

 Figure A 2: Cumulative oxygen consumption during 168 h of incubation of samples with (dashed line) 

and without (dotted line) additional ammonium. a) additional ammonium concentration in suspension 

of 978 µmol l‐1 and b) additional ammonium concentration in suspension of 1,911 µmol l‐1. 

   

Page 46: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

45 

 

Table A 2: Ammonium concentrations in sediment suspensions from an experiment to determine the 

influence  of  ammonium  on  oxygen  consumption.  Measured  initial  and  final  concentrations  of  the 

samples with  and without  additional  ammonium after  certain  times.  Experiment A with  additional 

ammonium concentration in suspension of 978 µmol l‐1 and experiment B with additional ammonium 

concentration in suspension of 1,911 µmol l‐1. In experiment A, samples “with 3” and “with 6” could not 

be determined. 

  Experiment A  Experiment B 

  Start conc.  Stop conc. Stop  Start conc. Stop conc.  Stop 

    [µmol l‐1]  [µmol l‐1]  time [h] [µmol l‐1]  [µmol l‐1]  time [h] 

With 1    1279  476  24  2008  1146  24 

With 2    1318  440  24  1962  1195  24 

With 3    ‐‐  ‐‐  ‐‐  1992  <LOD  48 

With 4    1308  <LOD  48  1950  <LOD  48 

With 5     1328  <LOD  48  1916  <LOD  168 

With 6    ‐‐  ‐‐  ‐‐  1908  <LOD  168 

Without 1    330  <LOD  24  36  <LOD  24 

Without 2    326  <LOD  24  39  <LOD  24 

Without 3    328  <LOD  48  44  <LOD  48 

Without 4    337  <LOD  48  49  <LOD  48 

Without 5    323  <LOD  138  49  <LOD  168 

Without 6    335  <LOD  138  52  <LOD  168 

Conc. Concentration, <LOD below the limit of determination (55 µmol l‐1) 

A.3.3 Stoichiometric Analysis and Correlations 

Based on the measured change in concentration of nitrate, sulphate, iron, manganese, and 

the formed CO2, the total oxygen consumption was calculated stoichiometrically according to 

equations (1) to (6). The oxygen consumptions of the individual processes were summed up 

to compare the total with the measured oxygen consumption (Figure A 3). Between calculated 

and  measured  oxygen  consumption  a  high  correlation  exists  (rsp = 0.960).  There  was  no 

general trend in over‐ or underestimation of the calculated oxygen consumption.  

There  was  a  high  variability  in  oxygen  consumption  with  respect  to  the  different 

processes.  In  most  cases,  the  mineralisation  had  the  highest  proportion  of  oxygen 

consumption  after  168 h.  The  oxygen  consumption  due  to  the  formation  of  sulphate  and 

nitrate varied between 5.3% and 57.6% and between 1.2% and 40.5%, respectively. However, 

this  was  very  different  according  to  the  individual  sites  and  layers.  Iron  and  manganese 

oxidation showed only a very small  contribution  (<0.5%)  to  the  total oxygen consumption, 

which  is  due  to  the  neglected  oxidation  of  metal  ions  by  our  calculation  of  the  oxygen 

consumption  by  sulphate  formation.  Therefore,  the  processes  of  sulphate  formation, 

nitrification, and mineralisation are sufficient to describe the oxygen consumption. 

Page 47: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

46 

Location  4 L1  showed  the  highest  measured  oxygen  consumption  after  168 h 

(0.967 mmol O2 g d.wt.‐1)  with  the  largest  influence  of  mineralisation,  high  rates  of 

nitrification,  and  minor  rates  of  sulphur  oxidation.  This  was  the  sample  with  the  highest 

content of TOC (6.3%‐d.wt.) and the  lowest TOC/Ntotal  ratio  (7.2).  In contrast,  location 7 L1 

showed the lowest oxygen consumption (0.005 mmol O2 g d.wt.‐1). Here, the TOC content was 

very  low as well (0.2%‐d.wt.). This relationship corresponds to the results of the Spearman 

correlation analysis (Figure A 4). The total measured oxygen consumption correlated highly 

with TOC (rsp = 0.939), Ntotal  (rsp = 0.946), and chlorophyll  (rsp = 0.960). Also, chlorophyll and 

Ntotal were  strongly  correlated with each other  (rsp = 0.923).  The  chlorophyll  concentration 

varied between 1.7 µg g d.wt.‐1 and 1100.9 µg g d.wt.‐1. The  locations with the four highest 

OCPs also showed the four highest sediment chlorophyll concentrations.  

 Figure A 3: Comparison of the stoichiometric calculation of the oxygen consumption (height of column) 

and the measured oxygen consumption (circle) for the two layers (L1 and L2) of the spatial sampling 

campaign.  The  samples  were  sorted  according  to  their  Ntotal  content.  The  calculated  consumption 

consists  of  the  proportion  of  carbon  dioxide  formed  (mineralisation),  the  sulphate  formation,  the 

nitrification,  and  iron  and  manganese  oxidation.  +  the  proportion  of  mineralisation  in  the  total 

consumption was calculated. Numbers in brackets indicate the sample, and numbers without brackets 

indicate the Ntotal content (%‐d.wt.). The error bars display the min and max values for the replicates 

(n = 2 to 3). 

Page 48: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

47 

 Figure A 4: Above the diagonal: Scatter plots for the measured and calculated oxygen consumption and 

the sediment composition of the spatial analysis. Below the diagonal: Results of a Spearman correlation 

analysis between the measured (O2 meas.) and calculated (O2 calc.) oxygen consumption, the sediment 

composition, and the chlorophyll concentration (Chl.). All parameters tested are significantly correlated 

with each other (p <0.05). 

A.3.4 Development of an Oxygen Consumption Model 

Within  the  studied  time  frame,  3  sub‐processes  can  describe  the  cumulative  oxygen 

consumption of sediments during resuspension. Sub‐process 1 comprises the rapid chemical 

and microbial oxidation of dissolved iron, manganese, and hydrogen sulphide as well as solid 

sulphur compounds such as iron monosulphides, elemental sulphur, or pyrite. The second sub‐

process reflects the nitrification of ammonium to nitrate via nitrite. The third sub‐process is 

the  mineralisation  of  organic  matter.  As  supported  by  the  analysed  course  of  oxygen 

consumption, we can describe sub‐processes 1 and 3 by a first‐order exponential degradation 

function. And, as visualized  in Figure A 1, nitrification can be described by a constant  rate 

(zero‐order kinetic) and a given time period.  

Based on these considerations, the model development starts with an adaptation of 

the corresponding functions to the measured curve shapes. This was done in three steps: a) 

for every sample i the data of cumulative oxygen consumption after the second drop in rate 

were fitted with an exponential degradation function (equation 7), resulting in the parameters 

A  and t . The resulting function was differentiated (equation 8) to result in A∗. The constants 

Page 49: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

48 

A∗ and  t  were regarded to describe  the kinetics of mineralisation of every sample  for  the 

whole studied period (168 h). From the measured oxygen consumption rates, the calculated 

fitted mineralisation was subtracted.  

  y ; y ; A ∗ e  (7)

 r ; A∗ ∗ e  

(8)

 A∗ A ∗

1t

 (9)

where y ;  = calculated  cumulative  mineralisation  of  sample  i  at  time  x (mmol O2 g d.wt.‐1) 

y ;  = offset of sample i (mmol O2 g d.wt.‐1) 

r ;  = calculated rate of mineralisation of sample i at time x (mmol O2 g d.wt.‐1 h‐1) 

A  = amplitude of sample i (mmol O2 g d.wt.‐1) 

A∗ = amplitude of sample i (mmol O2 g d.wt.‐1 h‐1) 

x = time (h) 

t  = degradation rate constant (h‐1) 

b) For each sample, the remaining curves of the oxygen consumption rates were analysed for 

the  mean  rate  of  nitrification.  Based  on  equation  10  the  oxygen  consumption  due  to 

nitrification was calculated. For the period from 0 to D  the resulting nitrification rate R  (mmol 

O2 g d.wt‐1 h‐1) was again subtracted from the remaining measuring values.  

  r ; R ∗ D   (10)

 

where  r ;  = calculated  cumulative  nitrification  of  sample  i  at  time  x (mmol O2 g d.wt.‐1) 

  R  = calculated rate of nitrification of sample i at time x (mmol O2 g d.wt.‐1 h‐1) 

  D  = calculated duration of nitrification of sample i (h) 

c) Finally, the remaining cumulative oxygen consumption curve was handled as in step a. An 

exponential  degradation  function  (equation  11)  was  fitted  to  the  data,  resulting  in  the 

parameters B , s , and B∗, which were regarded as a description of the fast chemical oxidation 

processes. 

  y ; y ; B ∗ e  (11)

  r ; B∗ ∗ e  (12)

 

where  r ;  = calculated rate of fast chemical oxidation of sample i at time x (mmol O2 g d.wt.‐1 h‐1) 

Page 50: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

49 

     y ;  = offset of sample i (mmol O2 g d.wt.‐1)  

B  = amplitude of sample i (mmol O2 g d.wt.‐1) 

  B∗ = amplitude of sample i (mmol O2 g dw‐1 h‐1) 

  s  = chemical oxidation rate constant (h‐1) 

In  total,  with  the  curve‐fitting  process  for  each  sample  six  independent  parameters were 

derived,  of  which  two  were  always  necessary  to  quantify  the  kinetics  of  the  three  sub‐

processes and which in sum result in the total oxygen consumption. The parameters obtained 

in this way were correlated to the sediment properties TOC, Ntotal, TOC/Ntotal ratio, particle 

fraction <20 µm, and total chlorophyll. However, 5 samples were excluded from correlation 

because  they  had  either  a  high  sand  content  (7 L1  and  18 L1),  an  outstanding  chlorophyll 

content (2 L1 and 4 L1), or an irregular oxidation dynamic resulting in a negative t  (19 L2).  The best correlations were observed for Ntotal and TOC (Table A 3). The parameters A∗ 

and B∗ show a rSp >0.698 (p <0.05) for TOC and Ntotal. The degradation rate constant t  does not significantly correlate to the sediment properties but has a higher correlation with the 

parameter  A   (rsp  >0.606).  The  nitrification  rate  R   and  the  pool  of  nitrification  (R ∗ D ) 

significantly  correlate  to  Ntotal  and  TOC.  The  duration  D ,  however,  does  not  significantly 

correlate to the studied sediment properties. 

Table A 3: Results of a Spearman correlation analysis between the sediment properties (TOC and Ntotal) 

and  the  fitted  functions  parameters  of  the  oxidation  consumption  model.  Above  the  diagonal: 

Spearman  correlation  coefficient.  Below  the  diagonal:  The  two‐tailed  significant  values,  significant 

values p <0.05 bold. 

TOC  Ntotal  A∗  t   R   D   R ∗ D B∗  s  

TOC  ‐‐  0.966  0.744  ‐0.057 0.608  0.098  0.761  0.778  0.381 

Ntotal  0.000  ‐‐  0.698  0.021  0.655  0.071  0.767  0.825  0.352 

A∗  0.000  0.000  ‐‐  ‐0.350 0.523  ‐0.120 0.526  0.595  0.295 

t   0.753  0.906  0.046  ‐‐  0.046  0.222  0.073  ‐0.022  0.150 

R   0.000  0.000  0.002  0.797  ‐‐  ‐0.411 0.785  0.614  0.004 

D   0.580  0.691  0.507  0.214  0.016  ‐‐  0.159  ‐0.074  0.324 

R ∗ D   0.000  0.000  0.002  0.686  0.000  0.369  ‐‐  0.633  0.291 

B∗  0.000  0.000  0.000  0.904  0.000  0.679  0.000  ‐‐  0.114 

s   0.026  0.041  0.095  0.406  0.983  0.062  0.095  0.521  ‐‐ 

TOC  total  organic  carbon,  Ntotal  total  nitrogen,  A∗  amplitude  of  sample  i (mineralisation),  

t  degradation rate constant (mineralisation), R  calculated rate of nitrification of 

sample i at time x, D  calculated duration of nitrification of sample i, R ∗ D  pool 

of  nitrification,  B∗  amplitude  of  sample  i  (chemical  oxidation),  s   chemical 

oxidation rate constant  

Univariate regression functions among the six model variables and the significantly correlating 

sediment  properties  were  used  to  derive  estimated  variables  (Table  A  4).  For A∗ , 

Page 51: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

50 

R, B∗, and R ∗ D, linear regression was used with Ntotal as proxy. For the rate constant t and s, linear  regression was used with  the  estimated  function parameters A   and B   as  proxies, 

respectively (Table A 4). The nitrification duration variable D  was calculated from the pool 

R ∗ D )  and  the  rate.  Based  on  the  derived  regression  functions  and  known  sediment 

properties,  the  corresponding  function  parameters  can  be  calculated  and  thus  also  an 

estimate of the oxygen consumption for each step in time.   

Table  A  4:  Estimated  function  parameters  and  the  linear  and  nonlinear  functions  fitted  to  the 

correlation, their goodness of fit, and the variable used for correlation. 

Estimated 

paramete

Fitted 

function 

Resulting 

variable 

Resulting 

variable 

Resulting 

variable 

Adjust

ed  

R2 

RMSE  Applied

variable 

A   A a b ∗ e   ‐9.39*10‐2 ‐4.52*10‐2 ‐2,58*10‐1 0.214  0.241  Ntotal 

A∗   A∗ a b ∗ x  ‐5.95*10‐6 2.57*10‐3 ‐‐  0.492  ‐‐  Ntotal 

t   t a b ∗ x  107.99  ‐852.44  ‐‐  0.359  ‐‐  A  

R   R a b ∗ x  ‐7.08*10‐6 4.14*10‐3 ‐‐  0.358  ‐‐  Ntotal 

D  

D a b ∗ x/R  

‐1.63*10‐2 1.81*10‐1 ‐‐ 

0.451  ‐‐  Ntotal 

B   B a b ∗ x  1.61*10‐2 ‐1.65*10‐1 ‐‐  0.551  ‐‐  Ntotal 

B∗  B∗ a b ∗ x  1.49*10‐3 2.99*10‐2 ‐‐  0.706  ‐‐  Ntotal 

s   s a b ∗ x  1.74  ‐37.61  ‐‐  0.702  ‐‐  B  

A   estimated  amplitude  (mineralisation),  A∗   estimated  amplitude  (mineralisation),  t  

estimated degradation rate constant (mineralisation), R  estimated rate of nitrification, D  

estimated  duration  of  nitrification,  B   estimated  amplitude  (nitrification),  B∗  estimated 

amplitude (nitrification), s  estimated degradation rate constant (nitrification) 

Figure A 5 compares the measured cumulative oxygen consumption values with the estimated 

values according to the equations of Table A 4 after 3, 24, and 168 h for all samples. These 

times were chosen because they reflect respective sub‐processes (chemical oxidation [3 h], 

nitrification [24 h], and mineralisation [168 h]), as shown before. Linear regressions showed a 

good fit with an Adj. R2 >0.840 and a  low scattering  for all  three periods. The slope varied 

between 1.152 (3 h) and 0.697 (168 h), resulting in a slight underestimation or overestimation 

of oxygen consumption by the model. This was particularly evident in the samples with a high 

chlorophyll  content  and  an  oxygen  consumption  >0.8 mmol O2 g d.wt.‐1,  where  the model 

strongly underestimated the consumption after 168 h. 

Page 52: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

51 

 Figure A 5: Comparison between the measured oxygen consumption after 3 h (a), 24 h (b), and 168 h 

(c) and the calculated oxygen consumption for all samples of the data set “spatial analysis”. 

In 28 of the 38 samples, the NRMSE was below 0.2 after 168 h and in 13 samples below 0.1 

(Figure A 6). Among the three selected times, the 3 h‐values showed the highest deviations 

between  the  model  and  the  measured  consumption,  with  a  mean  NRMSE  of  0.17 ± 0.11 

(sample  7  L1  excluded).  For  the  sandy  sample  7  L1  the  oxygen  consumption was  strongly 

overestimated by the model and therefore showed the largest error (NRMSE >0.5). The mean 

NRMSE after 24 h was 0.12 ± 0.11. In most cases the NRMSE was smaller than after 3 h. For 

those samples where this was not the case, the consumption rate due to nitrification or the 

duration  was  over‐  or  underestimated  by  the  model.  After  168 h,  the  mean  NRMSE  was 

0.14 ± 0.10. 

 Figure  A  6: Normalized  root  mean  squared  error  (NRMSE)  between  the  calculated  and  measured 

oxygen consumption curves from the spatial sampling campaign for the upper (L1) and lower (L2) layer. 

* no sample exists for the lower layer. 

A.3.5 Validation of the Oxygen Consumption Model 

The oxygen consumption curves of 82 samples  from the  temporal analysis campaign were 

used to validate the model. Oxygen consumption was calculated from Ntotal of the samples, 

and Figure A 7 compares  the measured oxygen consumption with  the calculated one. The 

results showed a good fit considering the samples from the summer (April to August). After 

3 h and 24 h the summer samples showed a lower scatter and a steeper slope (Figure A 7) 

compared to the winter samples from September to March, which showed a slope of 0.488 

Page 53: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

52 

after 3 h  (Adj. R2 = 0.321)  and a  slope of  0.771 after 24 h  (Adj. R2 = 0.497). After 168 h  the 

winter samples showed a steeper slope (0.920) but also a larger dispersion (Adj. R2 = 0.610). 

The adjustment improves with increasing resuspension time. 

 Figure A 7: Comparison between the measured oxygen consumption after 3 h (a), 24 h (b), and 168 h 

(c) and the calculated oxygen consumption for all  samples of  the data set “temporal analysis.” The 

samples are divided into summer samples (April to August) and winter samples (September to March). 

The regression line refers to the summer samples. 

Comparing the calculated NRMSE values for the year 2018 (Figure A 8), it is also evident that 

the model provides a better adjustment in the summer months (April to August) than in the 

winter months (September to March). The NRMSE was higher in the winter months and had 

a mean value of 0.27 ± 0.20 (3 h), 0.36 ± 0.24 (24 h), and 0.22 ± 0.09 (168 h). In the summer 

months the average calculated error was 0.15 ± 0.06 (3 h), 0.10 ± 0.09 (24 h), and 0.09 ± 0.09 

(168 h). The NRMSE values between summer and winter differed significantly (p <0.01) for the 

24 and 168 hourly values. The difference for the 3 h values was not significant at a significance 

level of p = 0.069.  

 Figure  A  8:  Normalized  root  mean  squared  error  (NRMSE)  between  the  calculated  and  measured 

oxygen consumption curves from the temporal sampling campaign for the upper (L1) and lower (L2) 

layer. Letters A and B indicate the replicates. 

Page 54: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

53 

The  difference  between  summer  and  winter  is  also  reflected  in  the  measured  oxygen 

consumption, where the sediments showed the highest OCP between May and August (Figure 

A 9). Figure A 9 shows that the assumptions made about the sub‐processes can also be applied 

to the data set temporal dynamics. For the year 2018 a high correlation exists (rsp = 0.967) 

between the calculated and measured oxygen consumption, and there is no general trend in 

over‐ or underestimation of the calculated oxygen consumption.  

 Figure A 9: Comparison of the stoichiometric calculation of the oxygen consumption (height of column) 

and the measured oxygen consumption  (circle)  for  the  temporal analysis. Shown are  the respective 

replicates (A and B) for the upper layer. The calculated consumption consists of the proportion of carbon 

dioxide  formed  (mineralisation),  the  sulphate  formation,  the nitrification,  and  iron  and manganese 

oxidation. + the proportion of mineralisation in the total consumption was calculated. The error bars 

display the min and max values for the replicates (n = 2 to 3). 

Measured and calculated oxygen consumption and the sediment properties were correlated 

significantly with each other (p <0.05) with one exception between TOC and TOC/Ntotal ratio 

(p = 0.07) (Figure A 10). Chlorophyll showed the highest correlation with the measured oxygen 

consumption.  TOC  (rsp = 0.752)  and Ntotal  (rsp = 0.839)  correlated  highly with  the OCP  even 

though the data of the temporal analysis showed a larger scattering compared to the spatial 

analysis. Additionally, at the temporal analysis, Ntotal showed a higher correlation to the OCP 

than TOC. 

Page 55: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

54 

 Figure A 10: Above the diagonal: Scatter plots for the measured and calculated oxygen consumption 

and the sediment composition. Below the diagonal: Results of a Spearman correlation analysis between 

the measured (O2 meas.) and calculated (O2 calc.) oxygen consumption, the sediment composition, and 

the chlorophyll concentration (Chl.). All parameters tested are significantly correlated (p <0.05) with 

each other with one exception: The correlation between  the TOC and  the TOC/Ntotal  ratio  (p = 0.07) 

shows no significance. 

A.4 Discussion 

Two sampling campaigns were carried out to investigate the factors influencing the OCP of 

sediments  and  the  biogeochemical  processes  taking  place.  The  OCP  of  sediments  in  the 

Hamburg area of the river Elbe is attributable to three main processes: sulphate formation, 

nitrification, and the mineralisation of organic matter. These processes differ in their kinetics 

and  available  substrate  pools.  Upon  depletion  of  the  respective  substrates,  sulphate 

formation  and  nitrification  eventually  cease,  and  a  distinct  decrease  in  the  oxygen 

consumption rate is observed. By contrast, the aerobic degradation of organic matter is a still 

ongoing process at the end of the measurement period of seven days.  

The OCP of the sediments showed a high correlation to Ntotal, TOC, and the chlorophyll 

content.  A  prognosis  model  was  developed  that  can  be  used  to  calculate  the  oxygen 

consumption of Hamburg port sediments. 

Page 56: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

55 

A.4.1 Sediment Composition 

The  sediment  composition  is  substantially  more  variable  spatially  than  temporally.  The 

structure of the upper estuary with shallow waters and the deep fairway, harbour basins, and 

channels results in different flow velocities and sedimentation rates. This corresponds to the 

varying  properties  of  the  sediments  at  the  respective  locations  with  regard  to  grain  size 

composition, TOC, and origin of the particulate matter. Tidal influence is known to transport 

marine particles into the upper estuary up to approximately stream‐km 620 (Weilbeer 2014; 

Reese et al. 2019). The smaller scatter within the sediment composition  from the data set 

“temporal analysis” can be attributed to the fact that the samples were taken from one single 

site.  Here  the  sediment  properties  are  controlled  only  by  seasonal  parameters  such  as 

temperature, organic matter  input, and flow velocities, which had a smaller  impact on the 

variation than the spatial parameters (Table A 1). 

A.4.2 OCP and Stoichiometric Analysis 

Sediment  resuspension  results  in  an  increased  release  of  nutrients  into  the  water  phase 

(Kristensen  et  al.  1992;  Wainright  and  Hopkinson  1997;  Gibson  et  al.  2015).  Even  thin 

sediment layers in the range from a few mm to cm are sufficient to affect the water column 

substantially  (Tengberg et al.  2003; Blackburn 1997). This  frequently  leads  to an  increased 

oxygen  consumption  in  the water  column,  due  to  the  oxidation  of  reduced  inorganic  and 

organic products from anaerobic processes in the sediment (Sloth et al. 1996; Almroth et al. 

2009). 

Due to the release of these products the oxygen consumption during resuspension is 

subject  to  various  processes  (chemical  and  microbial  oxidation,  nitrification,  and  carbon 

mineralisation of organic matter). These processes vary  in  their  reaction rates and  in  their 

influence  on  oxygen  consumption,  depending  on  the  concentration  of  the  educts.  The 

cumulative oxygen  consumption  curves  and  rates  (Figure A  1)  clearly  show  that  the  rates 

decrease at distinct times. These decreases are explained by the oxidation of the respective 

educts.  Therefore,  the  OCP  can  be  divided  into  three  phases,  whereby  these  phases  are 

dominated by different processes. 

The  first phase  includes  the chemical and microbial oxidation of dissolved  iron and 

manganese  and  reduced  sulphur  compounds.  Due  to  the  experimental  design, we  cannot 

distinguish  between  spontaneous  chemical  oxidation  and  oxidation  by  microbes  of  the 

respective educts. Barcelona (1983) showed in his 24 h experiments that more than half of 

the SOD took place in the first half hour and attributed this to chemical oxidation processes. 

The oxidation of reduced sulphur compounds such as pyrite (FeS2), iron sulphide (FeS), and 

hydrogen sulphide (H2S) is subject to different reaction rates. Richards et al. (2018) estimated 

oxidation rates for acid‐volatile sulphide (AVS) between 8 and 21 mmol S kg‐1 d‐1, which are 

three orders of magnitudes higher than those for hydrogen sulphide (6 to 26 µmol S kg‐1 d‐1). 

Morse (1991) concluded from his experiments that the oxidation of pyrite is characterized by 

a daily to monthly time scale, whereby the rates depend on the particle size so that smaller 

particles are oxidized faster. Sulphate formation is therefore a process that can have a high 

Page 57: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

56 

influence on the measured oxygen consumption, both within the first hours and over a longer 

term. Although the sulphate release may take place over a longer period of time, the results 

show  that  the  second  flattening of  the  cumulative oxygen  curve  is  initiated by  the end of 

nitrification  and  that  sulphate  formation  and  chemical  oxidation  no  longer  dominate. 

Therefore, the first phase can be attributed to the chemical oxidation of dissolved iron and 

manganese and the rapid oxidation of sulphur compounds.  

As shown in Figure A 2, the second phase is characterized by nitrification. Morin and 

Morse (1999) showed in their resuspension experiments that the ammonium release comes 

in equal parts from the pore water, the loosely bound fraction, and the tightly bound fraction. 

Some samples showed three decreases in the oxygen consumption rates. One explanation for 

this could be the coupled process of nitrification. According to Ossenbruggen et al. (1996) and 

Brouwer  et  al.  (1998)  this  so‐called  double  tailing  occurs  when  stage  two  of  nitrification 

(conversion  of  nitrite  to  nitrate)  is  slower  than  stage  one  of  nitrification  (conversion  of 

ammonium  to  nitrite).  The  increase  in  the  rate  after  the  first  drop  can  be  attributed  to 

bacterial  growth and  thus  to  a higher  conversion  rate  (Wainright  1987;  Sloth et  al.  1996). 

Oxygen consumption by nitrification therefore depends not only on ammonium concentration 

but also on the activity and density of microorganisms. 

The  third  phase  is  dominated  by  the  mineralisation  of  organic  substances.  The 

mineralisation rate is determined by the composition and degradability of the organic matter. 

Fresh algal biomass shows a greater and faster degradability than older or terrestrial biomass 

(Arndt  et  al.  2013).  Therefore,  this  algal  biomass  is  easily  consumed and  can enhance  the 

oxygen  consumption,  in  contrast  to  sediments  with  only  refractory  organic  matter.  This 

relationship  is  highlighted  by  the  high  correlations  between  the  sediment  chlorophyll 

concentration and the oxygen consumption. The third phase shows the lowest consumption 

rate but has the highest consumption potential in relation to a long‐term resuspension due to 

the  storage  of  TOC.  Therefore,  the  relative  effect  of  carbon mineralisation  on  the  oxygen 

consumption is lowest at the beginning and increases with time.  

The OCP showed the highest correlation with the chlorophyll values. As a degradation 

product of fresh algal biomass, it serves as an indicator of this. The high correlation between 

Ntotal and chlorophyll can be explained by the accumulation of dead algal biomass. As a result, 

the  sediment  is  enriched  with  fresh  biomass  and  nitrogen,  because  they  have  a  close 

TOC/Ntotal ratio (Meyers 1994).  

The  aim  of  the  model  development  was  to  enable  the  prognosis  of  oxygen 

consumption of resuspended sediments based on easily available sediment properties. The 

chlorophyll  content  showed  the  strongest  correlation  to  the  OCP,  but  it  is  not  a  typical 

parameter that is determined by standard methods. Therefore, this parameter was excluded 

from  the  search  for  proxies.  Within  the  available  standard  properties,  Ntotal  showed  the 

strongest  relation  to  the  168 h  oxygen  consumption  and  to  the  chlorophyll  content.  The 

correlation between TOC and Ntotal and oxygen consumption differed only slightly in the spatial 

analysis. In the temporal analysis, however, Ntotal showed a higher correlation with the OCP 

than TOC. 

Page 58: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

57 

In  the comparison of  the calculated and measured oxygen consumption,  the model 

was able to predict the oxygen consumption. The deviations show in most cases a NRMSE less 

than  0.2.  However,  in  some  samples  the  oxygen  consumption  was  substantially  over‐  or 

underestimated. This can have various origins. The functional parameters for the calculation 

of  the  mineralisation  were  adjusted  based  on  the  last  phase  of  the  cumulative  oxygen 

consumption curve. In some cases, the consumption rate did not decrease consistently due to 

mineralisation. This can be explained by the composition of the organic matter. If the organic 

matter  consists  of  a well  and  a  poorly  degradable  fraction,  the  rate may  decrease  during 

mineralisation when  the well  degradable  fraction  has  been  consumed.  Likewise,  nitrogen 

tailing  and  bacterial  growth  are  not  included  as  parameters  in  the model,  although  their 

inclusion may lead to an improved estimation. The model was calibrated using the samples 

from  the  spatial  analysis,  which  were  taken  in  summer.  The  calculation  of  the  oxygen 

consumption curves based on the nitrogen contents from the temporal analysis showed the 

largest  deviations  in  winter,  when  the  overall  OCP  is  lower.  In  summer,  however,  the 

consumption could be predicted with small deviations (NRMSE = 0.09). Seasonal processes, 

such as the type and composition of the microorganisms and their activity, the quality of the 

organic matter, and its TOC/Ntotal ratio are not included in the model, which may be a reason 

for the larger deviation in winter months. If necessary, a calibration of the model with oxygen 

consumption curves from the winter months could improve the fitting. However, the model 

is  well  suited  to  assess  the  OCP  of  sediments  under  resuspension  in  the  critical  summer 

months with ecologically relevant high values.  It must be taken  into account that the tests 

were carried out under laboratory conditions, and the sediment rarely remains in suspension 

for this amount of time. 

A.5 Conclusion 

The  sediments  within  the  Port  of  Hamburg  show  a  strong  spatial  variability  in  their 

composition  and  OCP.  This  high  variability  makes  it  difficult  to  estimate  the  effects  of 

resuspension on the oxygen balance and nutrient release, for example due to maintenance 

measures  such as water  injection dredging. We have  shown  that  the oxygen consumption 

after 168 h is strongly dependent on the chlorophyll, Ntotal, and TOC content, so future studies 

should focus on these factors. The OCP after 168 h can be described by sulphate formation, 

nitrification,  and  mineralisation,  whereby  these  three  processes  show  different  reaction 

kinetics. The developed prognosis model calculates the oxygen consumption by using a single 

sediment parameter.  The model  shows  the best  adjustment  in  the months  critical  for  the 

oxygen budget  from April  to August. The OCP of sediments can thus be calculated  for any 

resuspension duration and can therefore lead to an improvement of maintenance measures 

and their effects. 

 

Page 59: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper
Page 60: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

59 

Appendix publication B

Oxygen Consumption of Resuspended Sediments of the Upper Elbe 

Estuary: Spatial and Temporal Dynamics  

 

 

 

 

 

M.J. Spieckermann1, A. Gröngröft1, M. Karrasch2, A. Eschenbach1 

 

 

 1 Institute of Soil Science, CEN, University of Hamburg, Hamburg, Germany 

2 Hamburg Port Authority, Hamburg, Germany 

 

 

 

 

 

 

AUTHOR CONTRIBUTION: The authors Mathias Spieckermann, Alexander Gröngröft, 

Maja Karrasch and Annette Eschenbach conceived and designed the study. Material 

preparation, data collection and analysis were carried out by Mathias Spieckermann. The 

first draft of the manuscript was written by Mathias Spieckermann. All authors contributed 

through discussion on the interpretations of the results. 

   

Page 61: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

60 

Abstract 

Resuspension of sediments can lead to a strong reduction of dissolved oxygen in a water body, 

whereby the sediment composition determines the amount of consumed oxygen. The local 

composition of the sediment is controlled by the flow regime and the load of organic matter 

transported by the river, with both variables varying spatially and seasonally. Depending on 

the temperature, sediment composition, and microbial activity, sediments may exhibit a high 

oxygen consumption potential (OCP). In this study, the spatial and temporal variability of the 

OCP  of  sediments  from  the  upper  Elbe  estuary  including  the  Hamburg  port  area  was 

investigated. Seven‐day incubation experiments were conducted to examine the OCP during 

resuspension. Sediment properties and pore water concentrations were analyzed to identify 

the influencing factors of the OCP. Irrespective of the variation in temperature, in summer the 

OCP  is  up  to  5.5  times  higher  than  in winter.  Chlorophyll, Ntotal,  and  TOC  show a  positive 

significant correlation with the OCP. Within the study area the OCP of the sediments varied 

between  0.005 and  0.967 mmol O2 g d.wt.‐1.  The  highest  OCP  and  total  chlorophyll 

concentration was found in the transition zone between the shallow and deeper navigable 

area of the harbour. OCP is therefore controlled not only by the texture and amount of organic 

matter but also by the supply and sedimentation of fresh organic material  from upstream. 

Through the extensive spatial and seasonal observation of the OCP of sediments, the results 

can help to better evaluate the consequences of resuspension events on the oxygen balance 

of the Elbe water. 

B.1 Introduction 

Dissolved  oxygen  has  a  strong  influence  on  the  biological  health  of  rivers  (Williams  and 

Boorman 2012) and is used as an indicator for the quality of surface water bodies (Cude 2001; 

Bayram et al. 2015). Oxygen, produced by photosynthesis or ingressed into surface waters by 

exchange with the atmosphere, is consumed by respiration, the degradation of organic matter 

and  the  oxidation  of  reduced  compounds.  In  the  upper  part  of  the  Elbe  estuary  a  strong 

decline in dissolved oxygen concentrations is observed in the summer months (Bergemann et 

al. 1996; Schroeder 1997; Schöl et al. 2014; Sanders et al. 2017), regularly reaching critical 

values  of  less  than  4 mg O2 l‐1.  Schroeder  (1997)  concluded  that  this  decline  is  mainly 

attributed to algal respiration and carbon degradation. The oxygen consumption takes place 

directly  in  the water phase or  in  the upper  layers of  the  sediments.  The  sediment oxygen 

demand (SOD) is a widely used measure of total benthic mineralisation (Glud 2008) and as an 

indicator of the influence of sediments on the oxygen budget of a water body. According to 

Matlock et al. (2003) and Rutherford et al. (1991), SOD can account for more than 50% of the 

total  oxygen  consumption  in  natural  rivers.  With  regard  to  the  upper  Elbe  estuary,  the 

contribution of SOD to the total oxygen budget has not been quantified. 

Many sediment properties have been found to control SOD, such as sediment organic 

matter, nitrogen, and pigments (chlorophyll‐a, phaeopigment‐a, total carotenoids), as well as 

the water depth and spatial location of the sediments (Vidal et al. 1992; Duineveld et al. 1997; 

Page 62: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

61 

Grant et al. 2002; Giles et al. 2007; Mügler et al. 2012). In addition, water temperature shows 

a positive correlation with SOD (Hopkinsion et al. 2001; Fulweiler et al. 2010). Many authors 

have reported a seasonal variability  in SOD, with an  increase  in summer and a decrease  in 

winter in rivers and coastal sediments (Rasmussen and Jørgensen 1992; Rysgaard et al. 1995; 

Hopkinsion  et  al.  2001;  Akomeah  and  Lindenschmidt  2017).  This  variation  is  explained  by 

changes  in microbial and macrofauna activity and a variation  in  the  input of  labile organic 

matter such as dead settled algae. 

However, most of  these  studies  focused on  the oxygen  flux  at  the  sediment water 

boundary, whereby only a  few mm plays a role  in organic‐rich sediments  (Glud 2008). The 

spatial and temporal variability of the OCP of the bulk sediment, especially of deeper sediment 

layers, is less understood. In port areas it is often necessary to remove sediments to ensure 

the  fairway depth.  These measures  contribute  to  the  resuspension  of  surface  and  deeper 

sediments in addition to tidal current and anthropogenic influences such as the propeller wash 

from  large  ships  (Stoscheck et al. 2014).  In addition  to hopper dredging, bed  levelling and 

water  injection  are  used  in  the  Elbe  estuary  to  keep  the  fairway  navigable  if  oxygen 

concentrations  are  above  4 mg O2 l‐1  (Hamburg  Port  Authority  2018).  A  resuspension  of 

sediments can lead to increased oxygen consumption due to an increased release of reduced 

inorganic compounds and greater concentration of organic matter within the water column 

(Almroth et al. 2009; Sloth et al. 1996). 

The upper estuary of the Elbe is a spatially and temporally dynamic area. Tidal flow 

velocities vary strongly between the fairway and the rear parts of harbour basins. Due to low‐

flow areas or differences in cross‐flow sections, hot spots of sedimentation occur. Particulate 

matter originates from the Middle Elbe and the North Sea and is mixed in varying proportions 

within  the  upper  estuary  depending  on  the  headwater  discharge  (Gröngröft  et  al.  1998; 

Kleisinger et al. 2015; Reese et al. 2019). Additionally, seasonal changes in temperature and 

phytoplankton concentration prevail. Therefore, it is assumed that this variability influences 

the OCP of the Hamburg port sediments. 

It is likely that these conditions have a cumulative effect on the observed periods of 

oxygen deficiencies in summer. The quantification of OCP can therefore be used to provide a 

better quantification of the oxygen problem within the upper Elbe estuary. However, detailed 

studies on the spatial and temporal course of oxygen consumption during resuspension are 

lacking so far. This study thus aims to characterize the spatial and temporal variability of the 

OCP of sediments within the upper Elbe estuary. The biochemical processes involved during 

the oxygen consumption of resuspended sediments and the influencing sediment parameters 

were  explored  in  the  first  publication  (Spieckermann  et  al.  2021a).  To  study  the  spatial 

variability,  sediment  samples  were  taken  at  21  sites  distributed  in  the  upper  area  of  the 

estuary including the Port of Hamburg. The temporal variability was determined by monthly 

sampling at a single site, representing the respective present conditions, for a period of two 

years. 

The aim is to quantify the seasonal and spatial impact on the sediment composition 

and OCP; therefore our key questions are: 

Page 63: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

62 

(1) What seasonal changes occur with regard to the composition and OCP of sediments? 

(2) How does the OCP vary spatially? 

B.2 Material and Methods 

B.2.1 Study Site and Sampling 

The sampling site is located in the Port of Hamburg, one of the most frequented seaports in 

North Europe. The Port of Hamburg is situated in the tidal Elbe River, which covers a distance 

of 142 km from the weir Geesthacht to the North Sea. At stream‐km 609 the Elbe splits into 

the  Northern  Elbe  and  the  Southern  Elbe,  which  flow  together  at  stream‐km  626.  In  the 

Southern Elbe there is an increase in water depth between stream‐km 615 and km 619.5 from 

2.7 m  to  15.1 m,  to  ensure  the  trafficability  for  ocean  vessels.  In  the  Northern  Elbe  this 

increase is located between stream‐km 614 and km 624 (Figure B 1). 

Two  sampling  campaigns  were  carried  out  to  determine  the  spatial  and  temporal 

variability in the OCP of sediments. For both campaigns, samples were taken from a ship with 

a  core  sampler  (Frahm‐Lot,  length 80 cm,  inner  diameter 10 cm).  For  further  laboratory 

analyses the sediment layers 0–20 cm and 40–60 cm were separated. In the laboratory the 

layers were homogenized under a nitrogen atmosphere and stored in airtight glasses at 4 °C 

until measurement. Each homogenized  sample was divided  into  two subsamples. The  first 

subsample was  used  to  determine  the OCP,  and  the  airtight  jar was  opened  only  for  this 

purpose. The second subsample was used to extract  the pore water and to determine the 

sediment solid parameters. Samples from the first campaign (spatial variability) are composed 

of three individual cores, which were combined to a single sample. In the second campaign 

(temporal  variability),  the  sampling  consisted  of  two  parallel  samples.  A  more  detailed 

description of the sampling can be found in Spieckermann et al. (2021a). 

Page 64: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

63 

 Figure B 1:  Sampling  locations within  the  upper  Elbe  estuary  and  the Port  of Hamburg. Black  dots 

represent the sampling locations between stream‐km 589 (P1) and 643 (P21) for the analysis of the 

spatial variability. P10 refers  to  the access area of  the Hansahafen  for  the analysis of  the seasonal 

dynamic. The circles represent water monitoring stations (WMS) of the Hamburg Service Portal (source: 

unpublished and adapted data from Hamburg Port Authority). 

During the sampling campaign “spatial variability” (2017‐06‐30 to 2017‐07‐04), samples were 

taken at 21 locations in the Port of Hamburg (Figure B 1). In order to obtain a large variety of 

different sediments, samples were taken in the fairway, at the entrances, and at the end of 

different harbour basins. Sample locations 1, 3, 5, 7, 15, 17, 18, and 21 represent the fairway 

of the tidal Elbe and the fairway of the Northern and Southern Elbe. Locations 2, 4, 10, 11, 12, 

16, and 20 were chosen to represent the entrance areas of different harbour basins; samples 

6, 8,  9,  13,  and 19  represent  the end; and  sample 14  represents  the middle part of  these 

harbour basins. The sampling design was based on different  flow velocities, sedimentation 

rates, and distance to the fairway. At locations 3, 7, 17, and 18 no samples could be taken for 

the lower layer. 

The sampling campaign “temporal analysis” took place monthly from December 2016 

to November 2018, with the exceptions of August 2017 and July and October 2018, when no 

samples  could  be  taken.  To  ensure  that  the  sediment  composition  represents  the  current 

environmental conditions, we selected a location with a known high sedimentation rate. Due 

to the access area of the Hansahafen, between stream‐km 621 and 622 the Northern Elbe 

shows an enlargement in the cross‐flow section. This leads to a decrease of the flow velocity 

and an  increase  in  the sedimentation rate with the  formation of a mud  lens. From regular 

soundings, the location is noted for the highest sedimentation rates in the months of April to 

Page 65: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

64 

June. At the edge of the mud lens this can be up to 2 cm day‐1 and up to 9 cm day‐1  in the 

middle  of  the  lens.  For  this  reason,  the  entrance  of  the  Hansahafen was  selected  as  the 

representative sampling site for the temporal analysis. 

B.2.2 Sediment Characterisation 

The analysis of the filtered pore water included ammonium (DIN 38406‐5) sulphate, nitrate, 

nitrite (DIN EN ISO 10304‐1), dissolved iron (DIN 38406‐32), and dissolved manganese (DIN 

38406‐33). Measured solid parameters were particle size distribution (DIN ISO 11277), total 

carbon  and  nitrogen  (Ntotal)  (DIN  ISO  10694),  and  inorganic  carbon  determined  after 

acidification with 42.5% phosphoric acid according to Luther‐Mosebach et al. (2018). Organic 

carbon (TOC) was obtained by difference. For a detailed description, see Spieckermann et al. 

(2021a). 

As  an  indicator  of  fresh  biomass,  chlorophyll‐a  and  its  degradation  product 

pheophytin‐a were analysed according to Lorenzen (1967). It was measured in the upper layer 

of  the  samples  from  the  spatial  analysis  and  for  the  samples  taken  from  April  2017  to 

November 2018. The values given in the results section represent the sum of both parameters. 

The carbon‐to‐chlorophyll ratio was assumed to be 40.5 according to Lorenzen (1968), which 

falls in the range of published ratios (Jakobsen and Markager 2016). 

For rough age estimations of sediments, the dates of the last maintenance dredging 

measures at the sites were taken into account.  In addition, the load of trace elements was 

considered, which  has  been  decreasing  over  time  in  the  river  Elbe  since  the  1990s  (HPA, 

unpublished  document  2019).  For  the  interpretation  of  the  results,  the  sediments  were 

divided into two age categories: <2 years and >2 years. 

B.2.3 OCP 

Using incubation experiments, the spatial and temporal variability of the OCP of sediments 

during resuspension were analysed. The OCP was determined with the respirometer BSB‐digi 

O2 (Selutec, Germany). The respirometer measures the change in pressure due to the uptake 

of  oxygen  in  a  constant  volume  and  simultaneously  by  adsorption  of  produced  CO2  by 

mineralisation in 1 M sodium hydroxide solution. Under nitrogen atmosphere, 30 g of fresh 

sediment were added to the incubation vessels (500 ml). Then 200 ml demineralised water 

was  added  to  the  samples  in  the  laboratory  to  allow  resuspension.  The  samples  were 

subsequently  connected  to  the  respirometer  and  stirred  at  300  rpm.  The  measurement 

interval was 0.5 h, and the cumulative OCP was determined for 168 hours (OCP168) at 20 °C +‐

0.5 °C. Three replicates were performed per sample. Unfortunately,  some cells  failed. As a 

result, the given errors represent the minimum and maximum values of the replicates. All runs 

were made in the absence of light. 

The  oxygen  consumption  of  resuspended  sediments  can  be  described  by  the 

mineralisation  of  organic  matter,  nitrification,  sulphate  formation,  and  the  oxidation  of 

reduced  iron and manganese  (Spieckermann et al. 2021a). Because the variability of  these 

processes and their  influence on the OCP is unknown, a stoichiometric calculation of these 

Page 66: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

65 

individual oxidation processes was carried out. Therefore, after incubation experiments the 

supernatant water was  filtered  and  analysed  for  nutrient  concentration  (sulphate,  nitrite, 

nitrate, iron, and manganese). The share of the mineralisation on the total consumption was 

quantified by titration of the NaOH solution with 0.1 M HCl solution and phenolphthalein as 

an indicator. The absorbed CO2 was calculated 1 to 1 into oxygen consumption. The calculation 

was  performed  using  the  determined  amounts  of  redox  partners  as  described  in 

Spieckermann et al. (2021a).  

A 2‐way ANOVA was performed to check if there were significant differences between 

sediment age, layers, and locations of the samples and the processes involved in the oxygen 

consumption. As the requirements for an ANOVA were not always met, a Kruskal‐Wallis test 

was also carried out. 

B.3 Results 

B.3.1 Oxygen Dynamics in the Water Phase 

During the two years of investigation, the properties of the water of the upper Elbe estuary 

shows strong temporal dynamics  (Figure B 2): The water  temperature varies between 0 °C 

(January to March) and 27 °C (July to August) in the years 2017 to 2018, whereby between the 

two stations (Bunthaus and Seemannshöft) only slight differences have been observed (about 

0.8 °C  as  a  rule).  The  runoff  is  lowest  in  summer/autumn  (250 m3 s‐1)  and  highest  in 

winter/spring  (1300 m3 s‐1).  The  maximum  is  reached  in  March  2017.  In  2018  the  peak 

occurred in January, two months earlier than in the previous year. The oxygen concentration 

shows the opposite course than the water temperature. Between May and August, the oxygen 

content is lowest at both stations. In order to distinguish between the temperature‐related 

decrease  in oxygen concentration and  the decrease by consumption,  the  thin black  line  in 

Figure B 2c represents the oxygen content (0% salinity, 1013 hPa) at 100% saturation for the 

respective  temperatures and days. While  the values  in Bunthaus are partly above  this  line 

(>100%  saturation),  Seemannhöft  shows  much  lower  values.  This  difference  indicates  an 

oxygen consumption between the two stations Bunthaus and Seemannshöft. Over the two 

years, the oxygen content at Seemannshöft drops below 4 mg O2 l‐1 regularly in the summer 

season, whereby the lowest value for 2017 is 2.9 mg O2 l‐1 (33% saturation) and 1.6 mg O2 l‐1 

(19% saturation) for 2018. The chlorophyll concentrations in the water differ strongly between 

both  stations, with much  less  chlorophyll  at  the  downstream  position.  At  Bunthaus,  both 

studied  years  vary  in  the  maximum  concentrations  of  chlorophyll,  with  162 µg l‐1  at  the 

beginning of May 2017 and 197 µg l‐1 at the end of May 2018.  

 

Page 67: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

66 

 Figure B 2: Properties of the river water measured at the stations Bunthaus at stream‐km 609 (grey 

line) and Seemannshöft at stream‐km 629 (black line). a: course of temperature; b: runoff, recorded at 

the  station  Neu  Darchau  (stream‐km  536);  c:  dissolved  oxygen  (the  thin  line  represents  oxygen 

concentration at 100% saturation); d: total chlorophyll. (Source: Hamburg service Portal 2020). 

B.3.2 Temporal Dynamics of Sediment Characteristics 

The  composition of  the upper  sediment  layer  changes  regularly with  the  season.  This was 

found for the grain size parameters of fine sand, amount of particles <20 µm, and clay as well 

as for the organic matter parameters TOC, Ntotal, and TOC/Ntotal ratio and some pore water 

characteristics. Fitting these variables with a wave function resulted in extreme values around 

mid‐February to the beginning of March and from the middle to end of August. Figure B 3 

depicts  the  grain  size  fraction  <20 µm  as  an  example.  The  fitting  for  the  upper  layer 

(RMSE = 11.46) indicates that the summerly peak in fine‐grained particles is nearly double that 

of the winterly minimum. 

Page 68: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

67 

 Figure B 3: Seasonal variation of the particle size fraction <20 µm for the upper (0–20 cm) and lower 

(40–60 cm) layer. A sine wave function was fitted to the variables with a RMSE of 11.43 (p <0.05) for 

the upper layer and an RMSE of 10.85 (p <0.05) for the lower layer. The thin line represents an adjusted 

sine function with the respective 95% confidence band. 

TOC and the TOC/Ntotal  ratio also showed strong seasonal dynamics  in  the upper sediment 

layer. During the warm season, the highest TOC values and the lowest TOC/Ntotal ratio were 

measured (Figure B 4). For the lower layer, clear seasonal dynamics were not evident for most 

of the studied sediment characteristics. 

 Figure B 4: Seasonal variation of the TOC (left) and the TOC/Ntotal ratio (right) of the sediments for the 

upper (0–20 cm) and lower (40–60 cm) layer. A sine wave function was fitted to the variables with a 

RMSE of 0.61 (p <0.05) for the upper layer (TOC), a RMSE of 0.44 (p <0.05) for the lower layer (TOC), 

and a RMSE of 0.38 (p <0.05) for the upper layer (TOC/Ntotal’). The thin line represents an adjusted sine 

function with the respective 95% confidence band. 

Ammonium in pore water displayed a high temporal dynamic in both layers (Figure B 5). In the 

warmer  seasons  the  concentration  increased,  and  in  the  colder  season  it  decreased.  The 

sulphate concentration in the upper layer showed an opposite behaviour (Figure B 5). In the 

lower layer most of the samples were without sulphate (below detection limit), and all of the 

six samples with detectable sulphate concentration originated from the months of January to 

April. 

Page 69: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

68 

 Figure B 5: Seasonal variation of the ammonium and sulphate concentration in pore water for the upper 

(0–20 cm) and lower (40–60 cm) layer. A sine wave function was fitted to the variables with a RMSE of 

1.09  (p <0.05)  for  the  upper  layer  (ammonium),  a  RMSE  of  1.19  (p <0.05)  for  the  lower  layer 

(ammonium), and a RMSE of 0.43 (p <0.05) for the upper layer (sulphate). The thin line represents an 

adjusted sine function with the respective 95% confidence band. 

B.3.3 Temporal Dynamics of OCP 

The OCP168 given in Figure B 6 showed a clear seasonal variability within the upper layer. The 

highest OCP168 was measured between May and September and is up to 5.5 times higher than 

the lowest consumption potential between December and April. The OCP168 of the lower layer 

did not show such a clear dynamic, similar to TOC and the TOC/Ntotal ratio. Here the OCP168 

was 3.5  times higher  in  summer  than  in winter  (Figure B 6).  Some parallels  showed  larger 

variances,  which  can  be  explained  by  the  small‐scale  spatial  variability  at  the  sampling 

position.  The  oxygen  consumption  after  three  and  24  hours  also  showed  a  clear  seasonal 

dynamic. After three hours, the oxygen consumption between May and September was 13 

times higher than the consumption between December and April. The same applies to the 

measured oxygen consumption after 24 hours, where it was 10 times higher (data not shown). 

 Figure B 6: OCP analysed during  laboratory  incubation for 168 hours of upper  (0–20 cm) and  lower 

sediment layers (40–60 cm) over two years’ time period. A sine wave function was fitted to the variables 

with a RMSE of 0.05 (p <0.05) for the upper  layer. Two replicates were taken per sampling and per 

Page 70: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

69 

layer. The error bars indicate the min and max values of two to three parallels. The thin line represents 

an adjusted sine function with the respective 95% confidence band. 

As expected, TOC and OCP168 were strongly correlated (Spearman rsp = 0.752). To check the 

temporal dynamic of the relation, the quotient of both parameters was calculated (Figure B 

7). The results showed that more oxygen per gram TOC was consumed in the warmer season. 

Thereby the oxygen consumption in relation to TOC can be 3 times higher than in the winter 

months. This clearly indicates that the composition of the organic matter changes over the 

seasons.  This  is  underpinned by  the  seasonal  dynamics  of  total  chlorophyll  concentration. 

Chlorophyll also showed a strong temporal dynamic, with maximum concentrations between 

June and August (Figure B 7). 

 Figure B 7: Temporal dynamics of the quotient calculated from the measured oxygen consumption after 

168 hours and the TOC (left) and the measured total chlorophyll concentration in the upper sediment 

layer  (right). A sine wave function was fitted to the variables with a RMSE of 0.99 (p <0.05) for the 

calculated quotient and a RMSE of 42.31 (p <0.05) for the total chlorophyll concentration. The thin line 

represents an adjusted sine function with the respective 95% confidence band. 

The detected OCP can be described by the superimposition of the three relevant processes 

sulphate formation, nitrification, and mineralisation and can be calculated on the basis of the 

Ntotal  content  of  the  sediments  by  our  prognosis model  (Spieckermann  et  al.  2021a).  The 

results showed that the sub‐processes are subject to a temporal dynamic and changing redox 

conditions, and the highest values occur in the warm season (Figure B 8). If one compares the 

minimum and maximum values of the years 2017 and 2018, the proportion of mineralisation 

in the warmer months was up to 3 times (2017) and 4 times (2018) higher than in the colder 

season. The proportion of nitrification was up to 5 times (2017) and 7 times (2018) higher, and 

the sulphate formation increased up to 5 times (2017) and 6 times (2018). 

Page 71: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

70 

 Figure B 8: Temporal dynamics of the oxygen‐consuming processes (sulphate formation, nitrification, 

and mineralisation) and the measured oxygen consumption for the upper layer. The processes were 

calculated using a prognosis model based on the nitrogen content (Spieckermann et al. 2021a). A sine 

wave function was fitted to the variables with a RMSE of 0.05 (p <0.05) (oxygen consumption), a RMSE 

of 0.03 (p <0.05) (mineralisation), a RMSE of 0.01 (p <0.05) (sulphate formation), and a RMSE of 0.01 

(p <0.05)  (nitrification).  The  thin  line  represents  an  adjusted  sine  function with  the  respective  95% 

confidence band. 

B.3.4 Spatial Variability of OCP  

The mixture of the main river sections, shallow bays, closed‐end harbour basins, and inner‐

harbour  connecting  channels  is  responsible  for  varying  tidal  flow  velocities  and  water 

exchange rates. Consequently, the sediment composition follows these hydro‐morphological 

features 

 (Spieckermann et al. 2021a): (i) Within the central sections of the Elbe River, pure sands (>97% 

sand) dominated by medium sand (0.2–0.63 mm) are found. These sediments are almost free 

of  organic matter.  (ii) Within  the  river  borders  and  adjacent  parts  of  the  harbour  basins, 

sediments with mixtures of fine and coarse particles occur, dominated by fine sand (0.063–

0.2 mm) and coarse silt (20–63 µm) and with a medium amount of organic matter. (iii) In the 

inner‐harbour channels, the rear parts of the harbour basins, and the closed bays along the 

river  with  low  water  exchange  rates,  sediments  with  low  sand  content  (<10%)  and  high 

proportions of fine‐grained particles (<63 µm) and organic matter dominate. 

Within the upper Elbe estuary, the OCP168 showed a high spatial variability (Figure B 

9). The highest OCP168 was measured in the upper layer of location 4 (0.967 mmol O2 g d.wt.‐1) 

where  the  fairway  is  deepened  to  9 m  for  oceangoing  vessels.  The  lowest  OCP168  was 

measured  at  location  7  (0.005 mmol O2  g d.wt.‐1),  which  had  the  lowest  TOC  content 

(0.2%‐d.wt.) and chlorophyll concentration (1.7 µg g d.wt.‐1) (Spieckermann et al. 2021a). This 

site was located directly in the fairway, and its sediment had a sand content of 99 %‐d.wt. The 

results showed that with increasing stream‐km the OCP168 slightly decreases, and there is no 

obvious trend for the upper or lower sediment layer to consume more oxygen (Figure B 9). A 

Spearman  correlation  analysis  showed  that  the  OCP168  is  highly  correlated  with  TOC 

Page 72: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

71 

(rsp = 0.939), Ntotal (rsp = 0.946), and total chlorophyll (rsp = 0.960). As can be seen from Figure 

B  10,  the  quotient  between  the measured OCP  and  the  TOC  as well  as  the  proportion  of 

chlorophyll‐C  relative  to  TOC  decreases  with  increasing  stream‐km  as  a  rule.  The  highest 

quotient  and proportion were measured  at  the beginning of  the deepened  fairway  in  the 

Southern Elbe at location 4 (stream‐km 615.5). Site 5 showed a high proportion of chlorophyll‐

C  in  the  TOC  but  has  a  relatively  low OCP168,  which  is  explained  by  the  low  TOC  content 

(1.4%‐d.wt.) of the sample. 

 Figure B 9: Spatial variability of the measured OCP168 for the upper and lower sediment layers of sites 

1 to 21 in the order of the stream‐km. The error bars indicate the min and max values of two to three 

parallels. * no sample exists for the lower layer. 

 Figure B 10: Quotient calculated from the measured oxygen consumption after 168 hours and the TOC 

(right) for the data set “spatial analysis.” Proportion of chlorophyll‐C to total TOC content (left) for the 

upper  layer  and  the  data  set  “spatial  analysis.”  Chlorophyll‐C  was  calculated with  the  factor  40.5 

according to Lorenzen (1967). Sites 1 to 21 in the order of the stream‐km. * no sample exists for the 

lower layer. 

In addition to the spatial variability in the OCP, the sediment age also showed an influence on 

the proportions of oxygen‐consuming processes. The two groups of old and young sediments 

Page 73: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

72 

differed from each other in terms of the percentage of the calculated oxygen consumption by 

sulphate  formation,  nitrification,  and  mineralisation  (Figure  B  11).  Sulphate  formation 

(p <0.05) and nitrification (p <0.05) differed significantly between the two age groups for both 

layers. Mineralisation showed a significant difference between  the  two age groups  for  the 

lower  layer  (p <0.05) and a p‐value of 0.06  for  the upper  layer. The old  sediments had on 

average 19% less oxygen consumption by mineralisation, 12% less by nitrification, and 31% 

more by sulphate formation. An exception was the sample of position 7, which also showed a 

high proportion of oxygen consumption due to sulphate formation. However, this sample is 

outstanding  due  to  its  extremely  low  TOC  content  and  OCP168  value.  Except  for  the  age 

differentiation  of  the  sediments,  a  statistical  evaluation  showed  no  significant  differences 

between the layers, the locations (fairway, entrance and end areas of the harbour basins), and 

the calculated process proportions involved in the OCP. 

 Figure B 11: Percentage of the sub‐processes of OCP168 for the upper layer (L1) and lower layer (L2). The 

samples are divided into sediments younger and older than two years. Sites 1 to 21 in the order of the 

stream‐km. + proportion of mineralisation was calculated according to Spieckermann et al. (2021a). 

B.4 Discussion 

B.4.1 Temporal Dynamic 

Water temperature, oxygen saturation, and algal biomass in the Elbe estuary show a distinct 

seasonal dynamic and, as demonstrated by our measurements, they can affect the sediment 

composition and thus the OCP of sediments during resuspension.  In the results  from long‐

term monitoring of the Elbe water quality, the studied years 2017 and 2018 show a particularly 

Page 74: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

73 

low runoff compared to the 30‐year average. The average of the years 2014–2019 is 487 m3 s‐1, 

whereas the long‐term average is almost 700 m3 s‐1 (WTI 2019).  

The oxygen concentration in the water shows a strong decrease between the stations 

Bunthaus and Seemannshöft in summer. Various authors have already described these oxygen 

deficits in the water body (Bergemann et al. 1996; Schroeder 1997; Schöl et al. 2014). Algae 

respiration and the degradation of freshly transported organic matter from the upper stream 

control  the oxygen concentration  in  the water phase during  the warm season  (Kerner and 

Gramm 1995; Schroeder 1997; Kerner 2000, Schöl et al. 2014). According to Schöl et al. (2014), 

zooplankton also contributes to the lack of oxygen. Algae growth, however, is determined by 

various  factors,  such  as  input  of  nutrients  from  agriculture  (Kerner  2000)  or  water 

temperature and flow velocity (Quiel et al. 2011).  

Additionally,  the  OCP  of  the  sediments  shows  a  strong  temporal  variability  with 

maximum values in May and June. The studied uppermost layer of the sediments (0–20 cm) 

showed a clear temporal response to the changes in the water column. The results showed 

that during  the summer months,  the material  is  substantially more  fine‐grained, has more 

TOC, and has a higher proportion of total chlorophyll and thus a lowered TOC/Ntotal ratio. This 

temporal  variability  within  the  sediment  composition  can  be  attributed  to  the  reduced 

headwater discharge velocities in combination with algae mass development. The reduction 

in headwater discharge leads to an increased sedimentation of finer particles and thus to an 

accumulation of organic material that is associated with the fine‐grained fraction (de Haas et 

al.  2002;  Giles  et  al.  2007).  On  the  other  hand,  the  increased  algal  masses  lead  to  an 

enrichment of the sediment with nitrogen and carbon and due to the close TOC/Ntotal ratio of 

algae (Meyers 1994) and to a lowered TOC/Ntotal ratio. When algae die, they sink to the bottom 

of  the  river and enrich  the  sediment with  fresh organic biomass, as  can be  seen  from  the 

determined  total  chlorophyll  concentration  of  the  sediment.  This  variation  within  the 

sediment composition leads to a high temporal variability of the OCP of sediments. TOC, Ntotal, 

and chlorophyll are highly positively correlated with the OCP of sediments (Spieckermann et 

al. 2021a). During the warm season, the OCP168 was up to 5.5 times higher than in the cold 

season.  Additionally,  this  difference  further  expands when  the  river water  temperature  is 

taken into account. The calculated quotient between the measured oxygen consumption and 

the TOC content shows that up to 3 times more oxygen can be consumed per gram of TOC, 

which  underpins  the  greater  degradability  of  the  organic  matter  during  phases  of  algae 

breakdown. Likewise, the measured oxygen consumption after three and 24 hours shows a 

strong seasonal variability. Due to the changed pore water composition, the proportions of 

the oxygen‐consuming processes increase in summer. The rapid biochemical oxidation of iron, 

manganese, and sulphides influences the oxygen consumption within the first hours, whereas 

nitrification  has  an  influence  on  the  oxygen  consumption  over  a  longer  period  of  time 

(Spieckermann et al. 2021a). 

Besides the changed input of oxygen‐consuming compounds over the year, the change 

in temperature also contributes to a change in the OCP of sediments. An increase in water 

temperature leads to a decrease of the solubility of oxygen and to an increase in microbial 

activity.  Due  to  the  reduced  solubility  and  increased  microbial  activity,  more  reduced 

Page 75: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

74 

conditions result in the sediment (Jørgensen 1977). The increased ammonium concentration 

and the decreased sulphate concentration in the pore water indicate a change to suboxic and 

anoxic conditions in the sediment (Froelich et al. 1979). In their investigations, Nedwell and 

Floodgate  (1972) also  showed an  increased  sulphate  reduction during  the  summer, as  the 

activity  of  the  sulphate‐reducing  microbial  population  in  winter  was  limited  by  the 

temperature. Ammonium accumulates in the pore water due to the anaerobic mineralisation 

of organic matter (Mackin and Aller 1984), while sulphate is reduced under anoxic conditions 

to hydrogen sulphide (Pallud and Van Cappellen 2006), which reacts with iron to form pyrite 

and other  iron  sulphides  (Berner 1984).  Therefore,  the  sediment  is enriched with  reduced 

compounds during the warmer months, which leads to higher oxygen consumption during a 

resuspension event. This is shown by the increased oxygen consumption due to nitrification 

and sulphate during the warmer months (Figure B 8). 

Our results showed a lower seasonal dynamic in the lower sediment layer with respect 

to  TOC,  TOC/Ntotal  ratio,  and  the OCP168.  Because  the  input  of  fresh  organic  algal  biomass 

shows a high influence on the OCP, the seasonal dynamics are weakened by its degradation. 

In  the course of  the year,  the upper sediment  layer  is overlaid and the organic material  is 

degraded under anaerobic conditions. Due to the sediment depth and the associated longer 

degradation times, the reactivity of the organic matter decreases and the seasonal influence 

is weakened. A further reduction of the seasonal dynamics of the lower sediment layers can 

be  achieved  by  sediment  consolidation.  With  increasing  sediment  depth,  the  material 

solidifies and compacts, which can  lead  to  the  lower  sample containing more depositional 

periods than the upper one. Another possibility might be that the deeper layers have been 

disturbed  by  fairway  maintenance  measures  such  as  bed  levelling  and  water  injection. 

However, if so, such a perturbation seems to be negligibly small for the upper layer because 

the OCP increases or decreases at the respective season even if maintenance measures were 

carried out beforehand. 

B.4.2 Spatial Variability 

The spatial analysis of the sediments showed a distinct distribution with respect to the OCP168 

and  the  oxygen‐consuming  processes.  The  highest  OCP168  occurred  at  location  4 

(0.967 mmol O2 g d.wt.‐1), where the navigable depth for ocean vessels of the Elbe begins. This 

location also shows the highest total chlorophyll concentration. Due to the increasing water 

depth  (from 2.7 m  to  about  15 m below MSL)  and  the  resulting  lightless deeper area,  the 

phytoplankton dies  (Schöl et al. 2014),  resulting  in  the enrichment of  fresh biomass  in  the 

sediment. Further, toward the direction of the sea, the decrease of the OCP results from a 

lower input of fresh biomass combined with a decrease of the degradability of the organic 

matter, as described by Zander et al. (2020). 

The samples showed a high variability with respect to the different oxygen‐consuming 

processes. The proportion of mineralisation of the young sediments had a higher share in the 

total oxygen consumption than the old sediments. This can be attributed to the age of the 

organic material. During degradation, labile organic compounds are preferentially degraded, 

Page 76: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

75 

which leads to a selective decrease in the reactivity of the organic material over time (Arndt 

et  al.  2013).  Additionally,  with  ongoing  anaerobic  degradation  of  organic  matter,  the 

concentration of ammonium in the pore water and at the exchange complex increases (Kofod 

1994) and, due to sulphate respiration, reduced sulphur compounds (FeS or FeS2) accumulate. 

The resuspension of the old sediments led to a high sulphate formation and a lower oxygen 

consumption due to mineralisation, which is shown by Figure B 11.  

The input of fresh organic biomass controls the behavior of the OCP of sediments in 

space and  time. TOC and Ntotal  and  thus also  the  texture affect  the OCP of  the sediments. 

Furthermore,  the  position  (longitudinal  gradient)  has  an  influence  on  the  OCP  and  the 

composition of  the  sediments. Old  sediments  show a  significant  change  in  the percentage 

composition of the oxygen‐consuming processes, with increased oxygen consumption due to 

sulphate formation and reduced consumption due to mineralisation and nitrification.  

B.5 Conclusion 

For the first time a detailed investigation on the spatial and seasonal variability of the OCP of 

sediments  in  the  estuarine  harbour  of  Hamburg  was  conducted.  In  the  Elbe  estuary,  the 

variability  of  OCP  of  sediments  under  resuspension  is—in  addition  to  the  hydrographic 

conditions—mainly controlled by the input of fresh organic biomass and the changed redox 

conditions due to the change in temperature and oxygen concentration. In seasonal terms, 

the upper sediment layer is most strongly influenced. In summer it shows a 5.5‐fold higher 

OCP than in winter. Spatially, there was a longitudinal gradient in the OCP of the sediments, 

whereby the OCP decreased with increasing stream‐km. Spatial changes, such as the increase 

of the fairway depth of the Elbe (location 4), can serve as a hot spot for the enrichment of the 

sediments with fresh organic biomass, which leads to a high OCP of the sediments. Our results 

on the parameters that influence the oxygen consumption of sediments during resuspension 

are consistent with other studies, which determined the oxygen fluxes into the sediment. A 

larger amount of resuspended sediments can have a high impact on the oxygen budget of a 

water  body.  The  results  obtained  provide  a more  precise  insight  into  the OCP  of  harbour 

sediments and can thus be used to quantify the effects of resuspension events on the oxygen 

balance of the Elbe water, whereby a resuspension of the upper sediment layer is caused by 

the  stream current,  by propeller wash,  and by maintenance measures. A  release of  larger 

amounts of material from deeper sediment layers occurs during dumping and water injection 

operations. However, dumping is not allowed in Hamburg in summer and water injection is 

prohibited at oxygen concentrations below 4 mg O2 l‐1 not to worsen the oxygen deficit. This 

study focused on the oxygen consumption of sediments during resuspension. But the oxygen 

consumption of sediments in the case of non‐resuspension is also an important factor. The 

influence of  this consumption on the oxygen budget of  the Elbe, especially  in  the summer 

months with  a  strong  decline of  the oxygen  concentration,  could  not  be  answered  in  this 

study. Therefore, further investigations should focus on the SOD at stable conditions,  if we 

want to know more about the influence of sediments on the oxygen budget of the river Elbe. 

Page 77: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper
Page 78: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

77 

Appendix publication C

Temperature‐Dependent Oxygen Consumption of Sediments of  the 

Upper Elbe Estuary  

M.J. Spieckermann, A. Gröngröft, A. Eschenbach 

 

 

 

 Institute of Soil Science, CEN, University of Hamburg, Hamburg, Germany 

 

 

 

 

 

 

 

AUTHOR CONTRIBUTION: The authors Mathias Spieckermann, Alexander Gröngröft, and 

Annette Eschenbach conceived and designed the study. Material preparation, data collection 

and analysis was carried out by Mathias Spieckermann. The first draft of the manuscript was 

written by Mathias Spieckermann. All authors contributed through discussion on the 

interpretations of the results. 

 

   

Page 79: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

78 

Abstract 

Sediment oxygen demand (SOD) can strongly influence the oxygen budget of a water body 

and can  thus affect  the ecological health of an aquatic ecosystem. Thereby, SOD rates are 

positively related to the amount and degradability of organic matter and to the temperature. 

Minimum oxygen zones regularly occur in the area of the upper Elbe estuary. The influence of 

SOD in this area is not yet fully understood. To our knowledge, we were the first to measure 

high‐resolution oxygen depth profiles in the area of the Port of Hamburg and used them to 

determine the SOD rates. Sediments from three locations were studied at different times and 

oxygen depth profiles at 5 °C, 15 °C and 25 °C were measured in the laboratory. Our results 

are consistent with the results of other studies, who measured a temperature effect of SOD. 

A rise  in temperature  leads to a decrease  in oxygen penetrations depth and an  increase  in 

SOD.  Two  sites  show  similar  changes  with  temperature,  although  they  are  composed 

different, while one site showed a stronger increase in SOD rate with increasing temperature. 

Seasonal  changes  in  the  sediment  and  pore  water  composition  and  bacterial 

productivity/biomass could be the reason for the higher SOD rate, as this sample was taken in 

August. Comparing our results with the findings of other authors leads to the conclusion the 

SOD of Port of Hamburg sediments have a high potential in effecting the oxygen budget of the 

Elbe River water. 

C.1 Introduction 

Sediment oxygen demand  (SOD)  is  a highly dynamic process with  respect  to  a  spatial  and 

seasonal scale (Matlock et al. 2003; Akomeah and Lindenschmidt 2017). It correlates positively 

with the proportion and degradability of organic matter, the nitrogen content and the silt and 

clay  content  (Giles  et  al.  2007)  as  well  as  with  the  temperature  (Hopkinsion  et  al.  2001; 

Fulweiler et al. 2010; de Klein et al. 2017).  It  is necessary  to understand how and  to what 

extent  sediments  consume  oxygen  in  order  to  improve  modelling  approaches  that  are  a 

helpful tool in trying to reduce environmental impacts. 

The availability of dissolved oxygen is a prerequisite for an intact aquatic ecosystem. It 

is  produced  during  photosynthesis  and  consumed  directly  or  indirectly  through  the 

decomposition of organic matter (Glud 2008). The concentration of dissolved oxygen has a 

major influence on the sulphur, nitrogen, phosphorus and carbon cycles and influences the 

metabolic  processes  taking  place  in  the  sediment.  This  indirectly  controls  the  pore water 

composition  and  the  fate  of  metals  and  metal  oxides  (Cai  and  Sayles  1996).  In  aquatic 

sediments, oxygen can be consumed by three processes: aerobic decomposition of organic 

matter, respiration, and the oxidation of reduced compounds (NH4+, Fe2+, Mn2+, H2S, FeS and 

FeS2) derived from anaerobic metabolism (Berg et al. 2003; Spieckermann et al. 2021a).  

In the area of the tidal Elbe (Northern Germany), oxygen minimum zones are formed 

in the summer months, which can extend as far as to the Port of Hamburg. Within this zone, 

the oxygen content may drop to critical values for aquatic  life (≤3 mg O2 l‐1). This decline  is 

mainly attributed to algal respiration and carbon degradation (Schroeder 1997) as well as to 

Page 80: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

79 

zooplankton grazing (Schöl et al. 2014). Oxygen is thus consumed directly in the water phase. 

To which  extend  the  decline  in  oxygen  concentration  is  additionally  influenced  by  oxygen 

consumption  from  the  Elbe River  sediments  is  unclear.  Investigations  of  other  rivers  have 

shown that the oxygen consumption of sediments can be the major source of water column 

oxygen  depletion  (Boynton  and  Kemp  1985;  Rutherford  et  al.  1991;  Matlock  et  al.  2003; 

MacPherson  et  al.  2007).  The  oxygen  consumption by  sediments  can  take place  either  by 

resuspension  of  the  sediments,  whereby  increased  amounts  of  nutrients  and  reduced 

substances  are  released  into  the  water  phase  (Kristensen  et  al.  1992;  Wainright  and 

Hopkinson 1997; Gibson et al. 2015), or under stable conditions. 

Under stable conditions, oxygen diffusely penetrates the sediment. The penetration 

depth is regulated by the organic carbon degradation, the oxygen concentration of the water 

and the transport of oxygen from the water phase into the sediment, whereby the sediment 

porosity and the diffusion coefficient of oxygen plays a role (Cai and Sayles 1996). The oxic 

zone can range from a few mm in organic rich sediments (Sweerts et al. 1989) to several cm 

in organic poor sediments (Wenzhöfer et al. 2001). 

Giles  et  al.  (2007)  showed  in  their  experiments  on  the  northeastern  New  Zealand 

continental  shelf  that  the  oxygen  uptake  is  strongly  dependent  on  water  depth  and  the 

distance to terrestrial and riverine input, with the highest oxygen uptake being measured at 

the shallowest point (4.2 m; 1222 µmol m‐2 h‐1) and the lowest at the deepest point (360 m; 

128 µmol m‐2 h‐1).  A  high  spatial  variability  in  sediment  oxygen  uptake was  also  found  by 

Matlock et al. (2003). Their investigations in the Arroyo Colorado River show differences of up 

to two orders of magnitude between sites that were less than 2 km apart. They concluded 

that  the  oxygen  consumption  under  stable  conditions  is  influenced  by  the  sediment 

composition, predominantly by sedimentation of organic‐rich material. 

Despite the regular occurrence of oxygen minimum zones in the Port of Hamburg, less 

attention was paid to oxygen consumption by sediments. Due to the high variability of the 

sediment  composition  in  the area of  the Port of Hamburg,  it  is of  interest  to quantify  the 

oxygen consumption by characteristic sediment parameters and to integrate this knowledge 

into water quality models in order to provide better forecasts. The oxygen consumption of 

resuspended sediments has been quantified by Spieckermann et al. (2021b). 

The aim of this study is to determine the SOD of Hamburg harbour sediments under 

stable conditions for the first time using high‐resolution oxygen depth profiles; therefore, our 

questions are: 

(1) What  is  the  oxygen  consumption  of  Hamburg  harbour  sediments  under  stable 

conditions? 

(2) What influence does the temperature have on the oxygen consumption rates of 

sediments under stable conditions? 

Page 81: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

80 

C.2 Material and Methods 

C.2.1 Sampling and Basic Analyses 

The  upper  Elbe  estuary  (Northern  Germany)  which  comprises  the  Port  of  Hamburg  and 

adjacent parts of the river is characterised by fresh water from the Middle Elbe River and a 

tidal amplitude of about 3.66 m in the harbour area. Here at stream‐km 609, the river splits 

into the Northern Elbe and Southern Elbe and reunites at stream‐km 626 (Figure C 1). From 

stream‐km 624 (North Elbe) and stream‐km 619 (South Elbe) downstream, the Elbe estuary 

has been deepened by dredging for ocean going vessels resulting in a depth of the fairway and 

the harbour basin of about 15 m below MSL.  

Sediment  samples  were  taken  from  a  ship  with  a  core  sampler  (Frahm‐Lot,  core 

length 80 cm,  inner diameter 10 cm) at  three positions within  the estuary  (Figure C 1) at a 

water  depth  of  approximately  10 m:  Hansahafen,  Köhlfleet  and  Fairway  Norderelbe.  The 

amount of  supernatant water  in  the core was about 10  to 20 cm. On board,  the core was 

sealed  airtight  and  transported  upright  and  carefully  to  the  laboratory.  Without  further 

processing,  the  sediments  in  the  core  were  used  to  measure  the  oxygen  concentration 

profiles. Afterwards sediment samples were extracted from the column down to 5 cm depth, 

the samples prepared and the solid sediment parameters analysed.  

 Figure C 1: Map of the Port of Hamburg and locations of the investigated sediments. The numbers mark 

the stream‐km (source: unpublished and adapted data from Hamburg Port Authority). 

The analysis of the solid sediment parameters included the particle size distribution (DIN ISO 

11277), total carbon (Ctotal) and nitrogen (Ntotal) content (DIN ISO 10694). Inorganic carbon was 

determined after acidification with 42.5% phosphoric acid according to Luther‐Mosebach et 

Page 82: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

81 

al.  (2018).  Organic  carbon  (TOC) was  obtained  by  difference.  The  porosity was  calculated 

according  to Avnimelech et al.  (2001). The volume of  the sediment  sample was calculated 

from  the  ratio  between  the  dry  weight  of  the  sample  and  the  average  sediment  particle 

density, corrected for the proportion of organic matter and the weight of the wet sample. 

C.2.2 High Resolutions Oxygen Concentration Profiles 

In the laboratory, the cores were placed upright in a temperature controlled water bath. The 

samples were allowed to adjust to the temperature for at least 12 h until the measurements 

were started. The measurement of the oxygen concentration profiles was performed in two 

runs  to determine  the  influence of  temperature and  the  storage  time.  In  the  first  run  the 

oxygen concentration profiles were measured at approximately 5 °C, 15 °C, and 25 °C. Then a 

second run was performed starting again at 5 °C. After each temperature change in the water 

bath, the oxygen depth profiles were measured after at least 12 hours, to allow a stabilization 

of the temperature in the column and of the microbial activity. The oxygen concentration of 

the supernatant water was adjusted to 100% by pumping air through a tube into the water 

without stirring up sediment. The air supply was kept constant in all experiments as well as 

the position of the tube. The saturation of the water was started at least three hours before 

the measurements.  The experiments were performed under  room  light.  The profiles were 

checked to see if there was an increase in oxygen concentration at the sediment surface due 

to  photosynthesis  of  algae.  However,  an  increase  in  oxygen  concentration  was  never 

observed, thus we could exclude the impact of photosynthesis on the depth profiles. 

The depth profiles were determined with the oxygen microsensors OX‐100 (UNISENSE, 

Denmark) with a tip diameter of 100 µm. These Clark‐type sensors measure the oxygen partial 

pressure, whereby oxygen diffuses through a silicone membrane and reduces at the cathode. 

To obtain  sufficient  depth profiles,  two  sensors with  a  lateral  distance of  3 cm were used 

simultaneously. The measurement started in the water phase and the sensors were lowered 

in  100 µm  steps  until  the  oxygen  concentration  dropped  to  zero.  For  each  core  and 

temperature level, the measurements ended after at least six depth profiles were measured 

successfully. Some measurements had to be aborted because the sensors broke or an increase 

of  oxygen  in  the  deeper  layer  was  observed,  which  led  to  profiles  for  which  the  oxygen 

consumption  rates  could  not  be  calculated.  This  oxygen  increase  can  be  explained  by 

mesofauna living in the sediment. Their digging activities can lead to an oxygen input into the 

oxygen‐poorer deeper layers. 

Using the software SensorTrace Suite (UNISENSE; Denmark), the oxygen consumption 

rates for the corresponding sediments and temperatures were calculated from the measured 

profiles.  The  calculations  are  based  on  the  method  reported  by  Berg  et  al.  (1998).  The 

programme  allows  different  boundary  conditions.  To  calculate  the  rates  of  oxygen 

consumption, either the boundary conditions “Top Concentration + Bottom Concentration” 

or “Bottom Concentration + Bottom Flux” were selected. For further information, see Berg et 

al. (1998) and the SensorTrace Suite User Manual (2020). Whereby, in a stationary state, the 

net consumption as a function of depth can be calculated by using the concentration depth 

Page 83: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

82 

profile, Ficks 1st law and the mass transport coefficient of oxygen in the sediment. The mass 

transport coefficient can be calculated from the porosity of the sediment and the molecular 

diffusion coefficient of oxygen in water. 

In order  to calculate  the oxygen consumption rate,  the sediment surface had to be 

determined for the profiles. This was done either optically during the measurement,  if this 

was possible, or based on the profiles. Since the diffusion of oxygen in the sediment is slower 

than in the water phase, there is a change in slope of the oxygen profile at the sediment‐water 

interface. This point was then considered as the sediment surface.  

C.3 Results 

C.3.1 Sediment Characteristics 

The sediments of the three locations differed strongly with respect to their composition (Table 

C 1). The sediment of the Hansahafen showed the highest TOC/Ntotal ratio (9.4) as well as the 

lowest  porosity  and  the  lowest  fraction  of  particle  <20 µm.  At  the  location  Köhlfleet  the 

sediment had the highest proportion of the grain size fraction <20 µm, the highest porosity 

and a TOC/Ntotal ratio of 8.6. The sediment at the location Fairway Norderelbe had the lowest 

TOC/Ntotal ratio. The porosity, TOC, Ntotal, and the fraction <20 µm were in the range between 

the other two sites. 

C.3.2 Oxygen Concentration Profiles 

In general, all analysed depth profiles had a smooth course with a continuous reduction of 

dissolved  oxygen with  depth  in  the  sediment,  as  e.g.  given  by  Glud  (2008).  For  all  depth 

profiles, the total penetration depth of oxygen into the sediment ranged between 1200 µm 

and 3900 µm. Looking at the temperature‐dependent oxygen depth profiles of the sediments 

(Figure C 2), an increase in the penetration depth of oxygen into the sediment can be seen 

with  decreasing  temperature.  For  the  sediments  from  the Hansahafen  the  point  at which 

dissolved  oxygen  was  no  longer  detectable  shifts  downwards  from  1500 µm  to  2300 µm 

between the experiments at 25.2 °C and 6.5 °C (Figure C 2a and b). The sediment from the 

location  Köhlfleet  showed  the  highest  penetration  depths  of  3900 µm  at  the  lowest 

temperature. 

   

Page 84: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

83 

Table C 1: Characterisation of sediment samples: Total carbon (Ctotal), total nitrogen (Ntotal), fraction of 

grain size <20 µm (<20 µm), total organic carbon (TOC), TOC/Ntotal ratio, porosity and sampling date of 

the investigated samples. 

Location Ctotal  Ntotal  <20 µm  TOC  TOC/Ntotal Porosity 

Sampling 

date 

 

[%‐d.wt.] 

[%‐

d.wt.] 

[%‐

d.wt.] 

[%‐

d.wt.]  [‐]  [%] 

 

Hansahafen  2.8  0.19  27.0  1.7  9.4  84.9  2018‐04‐20 

Köhlfleet  5.4  0.48  78.8  4.1  8.6  96.4  2018‐06‐23 

Fairway 

Norderelbe  4.1  0.35  38.5  2.9  8.1  90.1 

2018‐08‐28 

 

 Figure C 2: Temperature‐dependent oxygen depth profiles at approximately 5 °C, 15 °C, and 25 °C for the two runs per investigated location. a and b are the measured profiles of the location Hansahafen, c and d are the profiles of the location Köhllfeet and e and f are the profiles of the location Fairway Norderelbe. Error bars indicate the standard deviation of measured profiles (n= 6 to 11). 

Page 85: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

84 

A comparison of the depth profiles for each temperature range between the corresponding 

runs showed that within the total measuring time no major shift in oxygen consumption rates 

occurred within the samples. For each depth step in the sediment, the difference between the 

mean  oxygen  concentration  of  the  two  runs was  calculated.  The  results  showed  that  the 

difference is usually smaller than the respective standard deviations of the mean values. An 

exception was  the  location Hansahafen  for  the  14.7 °C  and 14.9 °C measurement,  but  the 

difference was only  slightly  larger  and  lies  between 10  and 20 µmol O2 l‐1.  Also,  the mean 

oxygen penetration depths showed no or only slight differences of 100 µm between the runs. 

An  exception  is  the  location  Fairway Norderelbe.  Here  the  average  penetration  depths  at 

7.6 °C and 6.6 °C differ by 400 µm. One reason could be the higher temperature difference of 

1 °C compared to the other samples and runs. Likewise, the runs from the Hansahafen site at 

14.7 °C and 14.9 °C show a difference of 300 µm. 

C.3.3 Oxygen Consumption Rates 

The calculated oxygen consumption rates (Figure C 3 and Table C 2) for the sediments of the 

three sites showed similar rates between 19.1 and 26.9 mmol O2 m‐2 d‐1 for temperatures at 

about 5 °C. With increasing temperature, the calculated oxygen consumption rate of all sites 

increased.  The  sediments  of  the  Fairway  Norderelbe  showed  the  highest  increase  with 

temperature with a slope of 3.03 mmol O2 m‐2 d‐1 °C‐1 (Table C 3). The sediments of location 

Köhlfleet  showed  a  medium  increase  with  temperature  with  a  slope  of 

1.73 mmol O2 m‐2 d‐1 °C‐1. At about 25 °C the lowest measured oxygen consumption rate was 

46.7 ± 5.5 mmol O2 m‐2 d‐1  (Hansahafen)  and  the  highest  was  84.8 ± 25.6 mmol O2 m‐2 d‐1 

(Fairway Norderelbe). The sediments of the site Fairway Norderelbe differed significantly from 

the other two sites since the 95% confidence intervals do not overlap. 

Table C 2: Temperature step, oxygen consumption rates, and number of measured depth profiles for 

the three locations and runs. 

  Hansahafen  Köhlfleet  Fahrrinne Norderelbe 

Runs  [°C]  [mmol O2 m‐2 d‐1]  n  [°C] [mmol O2 m‐2 d‐1] n  [°C] [mmol O2 m‐2 d‐1] n 

a)  6.5  19.1 ± 2.5  7  6.4  20.1 ± 1.9  8  7.6  26.9 ± 5.7  9 

b)  6  23.7 ± 2.9  7  4.5  20.3 ± 4.1  9  6.6  25.8 ± 6.5  11

a)  14.9  29.8 ± 6.3  6  15  32 ± 3.3  9  15.5 41.1 ± 6.8  9 

b)  14.7  28 ± 8.6  7  14.6 36.6 ± 6.8  10 15.7 57.2 ± 17.6  9 

a)  25.2  51.7 ± 18.2  7  24.7 50.4 ± 7  8  25.8 80.6 ± 16.9  10

b)  24.7  46.7 ± 5.5  7  25.2 57.7 ± 12.9  8  25.5 84.4 ± 25.6  10

 

 

Page 86: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

85 

 Figure C 3: Calculated oxygen consumption rates of the sediments of the three sites and at differnent 

temperatures with fitted regression line and corresponding 95% confidence band. Error bars indicate 

the standard deviation of the calculated consumption rates (n= 6 to 11). 

Table C 3: Results of a linear regression analysis between the calculated oxygen consumption rates and 

the adjusted temperatures for the three locations. 

Location 

Intersection with the Y‐axis

[mmol O2 m‐2 d‐1] 

Slope 

[mmol O2 m‐2 d‐1 °C‐

1]  Adj. R2 

Hansahafen  10.16  1.50  0.911 

Köhlfleet  10.07  1.73  0.951 

Fairway Norderelbe  3.75  3.03  0.946 

 

C.4 Discussion 

In this study, we tested the temperature dependence of SOD on samples of three  location 

from the Port of Hamburg. The results showed a decrease in oxygen penetration depth with 

increasing temperature, which is consistent with other studies (Seiki et al. 1994; Hancke and 

Glud 2004; de Klein et al. 2017). Within the natural  range microbial activity  increases with 

rising temperature (McDonnell 1969), which leads to increased respiration (Hancke and Glud 

2004; Allen et al. 2005). As a result, oxygen is consumed more rapidly and consequently the 

penetration depth decreases. As the temperature increases, the rate of oxygen consumption 

also increases which was also fund by Fulweiler et al. (2010). The sediments of the three sites 

showed a different influence on temperature, with the site Fairway Norderelbe showing the 

greatest change with increasing temperature. As the sediments were excavated at different 

times (April, June and August) and locations, we cannot say exactly whether this is a seasonal 

or spatial effect. An increase in the oxygen consumption rate after the 10‐degree‐rule could 

not be observed. However, the sediments differed in their composition in terms of TOC, Ntotal 

and the TOC/Ntotal ratio.  It  is known that SOD correlates positively with the proportion and 

Page 87: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

86 

degradability of organic matter, particulate organic nitrogen (Giles et al. 2007; Kim and Kim 

2007), and also with the sediments pigments (Vidal et al. 1992; Clough et al. 2005). Likewise, 

seasonal changes in SOD are reported (Kim and Kim 2007) due to changes in temperature and 

nutrient loads. 

Due  to  the  comparatively  high  TOC  and  Ntotal  content,  one  would  expect  that  the 

sediments  of  the  Köhlfleet  site  (5.4%‐d.wt.  and  0.48%‐d.wt.)  would  show  the  highest 

consumption rate with the highest temperature. However, the sediments of the site Fairway 

Norderelbe showed the highest consumption rates, whereas this site had the lowest TOC/Ntotal 

ratio. Even though Giles et al. (2007) found no significant correlation between the SOD and 

the TOC/Ntotal ratio. A decrease in the TOC/Ntotal ratio is an indicator of algae sedimentation 

(Therkildsen and Lomstein 1993) and therefore an indicator for fresh labile biomass. This in 

turn can explain  the  increased consumption  rates,  as easily degradable organic biomass  is 

available.  Therkildsen  and  Lomstein  (1993)  also  found  out  that  the  sediment macrofauna 

biomass correlates positively with temperature. Van Duyl and Kop (1994) found no seasonal 

changes  in  the microbial  biomass,  but  an  increased  productivity  of  the  bacteria  in  August 

compared to February. An increased productivity and or biomass may therefore also be the 

reason  for  the  higher  SOD  at  the  location  Fairway  Norderelbe,  as  sampling  took  place  in 

August.  

Investigations  within  the  study  area  on  sediment  composition  and  the  oxygen 

consumption potential of resuspended sediments have shown a strong seasonal dynamic. In 

summer the oxygen consumption potential  (OCP) of sediments was up to 5.5 times higher 

than in winter, which could be explained by a higher input of TOC and fresh labile biomass 

from dead algae (total chlorophyll) due to lower flow velocities and algae blooms. As a result, 

the TOC/Ntotal ratio showed a lowering in the summer months. Due to the higher temperature 

and the resulting lower oxygen saturation, more anoxic conditions prevail  in the sediments 

and the pore water was enriched with reduced substances. The investigations showed that 

the sediment parameter chlorophyll and Ntotal have the strongest influence on the OCP of the 

sediments  in  spatial  and  temporal  relation  and  that  the  spatial  variability  in  the  sediment 

composition had a higher influence on the OCP than the seasonal variability (Spieckermann et 

al. 2021b).  

The Köhlfleet site had a TOC and Ntotal content twice as high as the Hansahafen site, 

with both sites showing similar oxygen consumption rates. Therefore, the spatial distribution 

of TOC and Ntotal and its influence on oxygen consumption rates may be of less importance. In 

contrast, the input and degradability of fresh biomass combined with the seasonal changes 

seems to be of larger relevance. Especially since under stable conditions only the uppermost 

mm of freshly deposited sediments play a role in oxygen consumption and deeper and older 

material is of less interest. 

However,  the measured  SOD  level  is  consistent  with  the  results  of  other  authors. 

Matlock  et  al.  (2003)  reported  SOD  rates  between  4.1  and  37.5 mmol O2 m‐2 d‐1,  which 

represents 52 % to 94 % of the total oxygen uptake  in the water phase. MacPherson et al. 

(2007) measured mean rates between 36.3 and 67.2 mmol O2 m‐2 d‐1, which were significantly 

higher  than  the  biological  oxygen  demand  of  water  samples.  Boynton  and  Kemp  (1985) 

Page 88: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

87 

measured a SOD of 46.9 mmol O2 m‐2 d‐1 to 96.9 mmol O2 m ‐2 d‐1, which accounted for 16% 

to 50% of total respiration in the water phase. Our measured rates are within these values. 

The results indicate that the sediments could have a strong influence on the oxygen balance 

of the Elbe water. In the studies mentioned, the SOD was determined by chamber incubation 

experiments and not by oxygen microprofiles. However, SOD can vary considerably depending 

on the method used.  

The oxygen consumption of sediments calculated by microprofiles gives information 

about  the  oxygen  uptake  within  the  oxic  layer  of  sediments.  A  comparison  of  different 

methods  (chamber  incubation with  total  oxygen uptake and oxygen microprofiles)  for  the 

determination of SOD showed that oxygen microprofiles can lead to an underestimation of 

total SOD (Kim and Kim 2007). Glud et al. (1994) showed in their experiments that the total 

oxygen uptake was 1.2 to 4.2 times higher than the diffuse oxygen consumption. Rasmussen 

and Jørgensen (1992) also found that the total oxygen uptake was on average 145 % higher 

than  the  consumption  calculated  from  the  microprofiles.  Both  studies  explained  the 

difference with  the  presence  of marcofauna  and  that  the  total  oxygen  uptake  is  strongly 

related  to  ventilation  and  respiration  by  macrofauna.  In  contrast,  in  the  absence  of 

macrofauna, measurements of total oxygen uptake and microprofiles lead to similar results 

(Rasmussen and Jørgensen 1992). Samples taken on 17.09.2018 also showed twice as high a 

rate  of  oxygen  consumption  in  a  comparison  between  microprofiles  and  incubation 

experiments  (data not  shown).  This  samples had a high number of macrofauna,  and  clear 

traces of wormholes were visible at the core border. This should be taken into account when 

interpreting the SOD and it influence of the oxygen budget of a water body. 

For  a  complete  consideration  and  differentiation  of  the  oxygen  consumption  of 

sediments,  the  consumption  by  the  oxic  sediment  layer  (oxygen  depth  profiles),  the 

consumption  of  the  sediment  surface  (chamber  incubation)  and  the  consumption  during 

resuspension  of  sediments  must  be  taken  into  account.  Oxygen  consumption  during 

resuspension  is a  time‐limited process  (usually a  few hours), which can exceed the oxygen 

consumption at stable conditions multiple times. The increased oxygen consumption results 

from the sudden release of oxygen‐consuming compounds when the sediment is disturbed. 

In water quality models, the oxygen consumption is calculated by diffuse fluxes of reduced 

substances out of the sediment and by the flux of oxygen  into the sediment. The effect of 

resuspension on the oxygen balance has not been taken into account in numerical models to 

date (Moriarty et al. 2018). Especially in port areas, where large quantities of sediment are 

often dredged and resuspended, it can be of great interest to calculate the impact of these 

measures on the environment and to include seasonal variation in the oxygen flux in order to 

prevent negative effects. 

C.5 Conclusion 

In our experiments, we were the first to investigate the SOD by high‐resolution oxygen depth 

profiles  in  sediment  cores  from  the area of  the upper Elbe estuary.  The  results  show  that 

sediments at stable conditions have a high potential to remove oxygen from the water phase. 

Page 89: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

88 

The ambient temperature had a clear influence on oxygen consumption. Higher temperatures 

increase the microbial activity and the pore water is enriched with reduced compounds, which 

results  in  an  increase  in  oxygen  consumption  rates.  However,  due  to  the  decrease  of  the 

consuming sediment volume with increasing temperature, the temperature effect is smaller 

than the respective change in microbial activity (“10‐degrees‐rule”) and can be fitted with a 

linear  regression.  Due  to  the  different  sediment  composition  of  the  three  sites,  different 

oxygen uptake rates were expected, but the two sites with the largest difference in sediment 

composition  showed  similar  uptake  rates  within  the  studied  temperature  range.  The  low 

TOC/Ntotal ratio and the changed conditions (August sample) within the sediment can be used 

as an explanation for the high consumption rate of the site Fairway Norderelbe, even though 

this  site has a  lower TOC and Ntotal  content  than  the  site Köhlfleet. This  indicates  that  the 

seasonal influence on SOD under stable conditions is stronger than the influence of the spatial 

variability, due to more input of labile organic material, higher microbial activity and reduced 

conditions. In order to quantify the influence of the in‐situ sediments on the oxygen balance 

of the Elbe and the resulting oxygen minimum zones, the investigations should be intensified. 

 

Page 90: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

89 

References 

 

Akomeah E, Lindenschmidt KE (2017) Seasonal variation in sediment oxygen demand in a 

northern chained river‐lake system. Water 9:254 

Allen AP, Gillooly JF, Brown JH (2005) Linking the global carbon cycle to individual 

metabolism. Functional Ecology 19:202‐213  

Almroth E, Tengberg A, Andersson JH, Pakhomova S, Hall POJ (2009) Effects of resuspension 

on benthic fluxes of oxygen, nutrients, dissolved inorganic carbon, iron and 

manganese in the Gulf of Finland, Baltic Sea. Continental Shelf Research 29:807‐818  

ARGE ELBE/FGG ELBE (2007) Sauerstoffgehalte der Tideelbe. Entwicklung der kritischen 

Sauer‐stoffgehalte im Jahr 2007 und in den Vorjahren, Erörterung möglicher 

Ursachen und Handlungsoptionen. Sachstandsbericht der Wassergütestelle Elbe nach 

der Abstimmung in der Arbeitsgruppe "Oberflächengewässer" in der 

Flussgebietsgemeinschaft Elbe. 30.11.2007; Hamburg. https://www.fgg‐

elbe.de/dokumente/fachberichte.html. Accessed 20.12.2020 

Arndt S, Jorgensen BB, LaRowe DE, Middelburg JJ, Pancost RD, Regnier P (2013) Quantifying 

the degradation of organic matter in marine sediments: A review and synthesis. 

Earth‐Science Reviews 123:53‐86  

Avnimelech Y, Ritvo G, Meijer LE, Kochba M (2001) Water content, organic carbon and dry 

bulk density in flooded sediments. Aquacultural Engineering 25:25‐33  

Barcelona MJ (1983) Sediment oxygen‐demand fractionation, kinetics and reduced chemical‐

substances. Water Research 17:1081‐1093 

Bayram A, Uzlu E, Kankal M, Dede T (2015) Modeling stream dissolved oxygen concentration 

using teaching‐learning based optimization algorithm. Environmental Earth Sciences 

73:6565‐6576  

Berg P, Risgaard‐Petersen N, Rysgaard S (1998) Interpretation of measured concentration 

profiles in sediment pore water. Limnology and Oceanography 43:1500‐1510 

Berg P, Røy H, Janssen F, Meyer V, Jørgensen BB, Huettel M, de Beer D (2003) Oxygen uptake 

by aquatic sediments measured with a novel non‐invasive eddy‐correlation 

technique. Marine Ecology Progress Series 261:75‐83 

Bergemann M, Blöcker G, Harms H, Kerner M, Meyer‐Nehls R, Petersen W, Schroeder F 

(1996) Der Sauerstoffhaushalt der Tideelbe. Die Küste 58:199‐261 

Berner RA (1984) Sedimentary pyrite formation: An update. Geochimica et Cosmochimica 

Acta 48:605‐615 

BfG (2008) WSV‐Sedimentmanagement Tideelbe ‐ Strategien und Potentziale ‐ eine 

Systemstudie. Ökologische Auswirkungen der Umlagerung Wedeler Baggergut. 

Untersuchung im Auftrag des Wasser‐ und Schifffahrtamtes Cuxhaven. Bundesanstalt 

für Gewässerkunde Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG‐1584 

Blackburn TH (1997) Release of nitrogen compounds following resuspension of sediment: 

Model predictions. Journal of Marine Systems 11:343‐352 

Page 91: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

90 

Boynton WR, Kemp WM (1985) Nutrient regeneration and oxygen‐consumption by 

sediments along an estuarine salinity gradient. Marine Ecology Progress Series 23:45‐

55 

Breitburg DL, Loher T, Pacey CA, Gerstein A (1997) Varying effects of low dissolved oxygen 

on trophic interactions in an estuarine food web. Ecological Monographs 67:489‐507 

Brouwer H, Klapwijk A, Keesman KJ (1998) Identification of activated sludge and wastewater 

characteristics using respirometric batch‐experiments. Water Research 32:1240‐1254 

Bruce LC, Cook PL, Teakle I, Hipsey MR (2014) Hydrodynamic controls on oxygen dynamics in 

a riverine salt wedge estuary, the Yarra River estuary, Australia. Hydrology and Earth 

System Sciences 18:1397‐1411 

Bryant LD, Lorrai C, McGinnis DF, Brand A, Wuest A, Little JC (2010) Variable sediment 

oxygen uptake in response to dynamic forcing. Limnology and Oceanography 55:950‐

964  

Cai WJ, Sayles FL (1996) Oxygen penetration depths and fluxes in marine sediments. Marine 

Chemistry 52:123‐131 

Cappuyns V, Swennen R, Devivier A (2006) Dredged river sediments: Potential chemical time 

bombs? a Case Study. Water, Air, & Soil Pollution 171:49‐66  

Clough LM, Renaud PE, Ambrose WG (2005) Impacts of water depth, sediment pigment 

concentration, and benthic macrofaunal biomass on sediment oxygen demand in the 

western Arctic Ocean. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 62:1756‐

1765  

Cude CG (2001) Oregon water quality index a tool for evaluating water quality management 

effectiveness. Journal of the American Water Resources Association 37:125‐137 

de Haas H, van Weering TC, de Stigter H (2002) Organic carbon in shelf seas: Sinks or 

sources, processes and products. Continental Shelf Research 22:691‐717 

de Klein JJ, Overbeek CC, Jørgensen CJ, Veraart AJ (2017) Effect of temperature on oxygen 

profiles and denitrification rates in freshwater sediments. Wetlands 37:975‐983 

Díaz RJ, Rosenberg R (2008) Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems. 

Science 321:926‐929 

DIN 38406‐5 (1983) German standard methods for the examination of water, waste water 

and sludge; cations (group e); determination of ammonia‐nitrogen (e 5). Beuth, 

Berlin  

DIN 38406‐32 (2000) German standard methods for the examination of water, waste water 

and sludge ‐ Cations (group E) ‐ Part 32: Determination of iron by atomic absorption 

spectrometry (E 32). Beuth, Berlin  

DIN 38406‐33 (2000) German standard methods for the examination of water, waste water 

and sludge ‐ Cations (group E) ‐ Part 33: Determination of manganese by atomic 

absorption spectrometry (E 33). Beuth, Berlin 

DIN EN ISO 10304‐1 (2009) Water quality‐Determination of dissolved anions by liquid 

chromatography of ions‐Part 1: Determination of bromide, chloride, fluoride, nitrate, 

nitrite, phosphate and sulfate (in German). Beuth, Berlin  

Page 92: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

91 

DIN ISO 10694 (1996) Soil quality—determination of organic and total carbon after dry 

combustion (elementary analysis)(ISO 10694: 1995). Beuth, Berlin 

DIN ISO 11277 (2002) Soil quality–Determination of particle size distribution in mineral soil 

material–Method by sieving and sedimentation. Beuth, Berlin 

Duineveld GCA, De Wilde PAWJ, Berghuis EM, Kok A, Tahey T, Kromkamp J (1997) Benthic 

respiration and standing stock on two contrasting continental margins in the western 

Indian Ocean: The Yemen‐Somali upwelling region and the margin off Kenya. Deep‐

Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography 44:1293‐1317  

Froelich PN, Klinkhammer GP, Bender ML, Luedtke NA, Heath GR, Cullen D, Dauphin P, 

Hammond D, Hartman B, Maynard V (1979) Early Oxidation of Organic‐Matter in 

Pelagic Sediments of the Eastern Equatorial Atlantic ‐ Suboxic Diagenesis. Geochimica 

et Cosmochimica Acta 43:1075‐1090  

Fulweiler RW, Nixon SW, Buckley BA (2010) Spatial and temporal variability of benthic 

oxygen demand and nutrient regeneration in an anthropogenically impacted new 

england estuary. Estuaries Coasts 33:1377‐1390  

Gibson BD, Ptacek CJ, Blowes DW, Daugherty SD (2015) Sediment resuspension under 

variable geochemical conditions and implications for contaminant release. Journal of 

Soil and Sediment 15:1644‐1656  

Gilbert D, Rabalais NN, Diaz RJ, Zhang J (2010) Evidence for greater oxygen decline rates in 

the coastal ocean than in the open ocean. Biogeosciences 7:2283‐2296 

Giles H, Pilditch CA, Nodder SD, Zeldis JR, Currie K (2007) Benthic oxygen fluxes and 

sediment properties on the northeastern New Zealand continental shelf. Continental 

Shelf Research 27:2373‐2388  

Glud RN (2008) Oxygen dynamics of marine sediments. Marine Biology Research 4:243‐289  

Glud RN, Gundersen JK, Jorgensen BB, Revsbech NP, Schulz HD (1994) Diffusive and total 

oxygen‐uptake of deep‐sea sediments in the eastern south‐atlantic ocean: In‐situ and 

laboratory measurements. Deep‐Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers 

41:1767‐1788 

Graf G, Rosenberg R (1997) Bioresuspension and biodeposition: A review. Journal of Marine 

Systems 11:269‐278 

Grant J, Hargrave B, MacPherson P (2002) Sediment properties and benthic‐pelagic coupling 

in the North Water. Deep‐Sea Reseach Partt II: Topical Studies in Oceanography 

49:5259‐5275  

Gröngroeft A, Jaehnig U, Miehlich G, Lueschow R, Maass V, Stachel B (1998) Distribution of 

metals in sediments of the Elbe estuary in 1994. Water Science and Technology 

37:109‐116  

Hamburg Port Authority (2018) Umgang mit Baggergut aus dem Hamburger Hafen. 

Teilbericht: Umlagerung von Baggergut nach Neßsand. Freie und Hansestadt 

Hamburg https://www.hamburg‐port‐

authority.de/fileadmin/user_upload/Jahresbericht_2018_ Nesssand.pdf. Accessed: 

05 August 2020 

Page 93: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

92 

Hamburg Service Portal (2020) HamburgService – Wassergüte‐Auskunft 

https://serviceportal.hamburg.de/HamburgGateway/FVP/FV/BSU/wasserguete/wfW

assergueteAnfrageListe.aspx?sid=37. Accessed: 02 May 2020 

Hancke K, Glud RN (2004) Temperature effects on respiration and photosynthesis in three 

diatom‐dominated benthic communities. Aquatic Microbial Ecology 37:265‐281  

Hopkinson Jr CS, Giblin AE, Tucker J (2001) Benthic metabolism and nutrient regeneration on 

the continental shelf of Eastern Massachusetts, USA. Marine Ecology Progress Series 

224:1‐19 

Jakobsen HH, Markager S (2016) Carbon‐to‐chlorophyll ratio for phytoplankton in temperate 

coastal waters: Seasonal patterns and relationship to nutrients. Limnology and 

Oceanography 61:1853‐1868  

Jørgensen BB (1977) The sulfur cycle of a coastal marine sediment (Limfjorden, Denmark). 

Limnology and Oceanography 22:814‐832 

Kerner M (2000) Interactions between local oxygen deficiencies and heterotrophic microbial 

processes in the Elbe estuary. Limnologica 30:137‐143 

Kerner M, Gramm H (1995) Changes in oxygen‐consumption at the sediment‐water interface 

formed by settling seston from the Elbe estuary. Limnology and Oceanography 

40:544‐555  

Kim KH, Kim D (2007) Seasonal and spatial variability of sediment oxygen fluxes in the 

Beobsan intertidal flat of Taean Bay, mid‐western Korean Peninsula. Geosciences 

Journal 11:323‐329  

Kleisinger C, Haase H, Hentschke U, Schubert B (2015) Contamination of sediments in the 

german North Sea estuaries Elbe, Weser and Ems and its sensitivity to climate 

change. In: Sediment Matters. Springer, pp 129‐149 

Kofod M (1994) Die Bedeutung frühdiagnostischer Prozesse für die 

Porenwasserzusammensetzung in anaeroben Baggerschlämmen. Dessertation, 

University of Hamburg  

Kristensen P, Sondergaard M, Jeppesen E (1992) Resuspension in a shallow eutrophic lake. 

Hydrobiologia 228:101‐109  

Lorenzen CJ (1967) Determination of chlorophyll and pheo‐pigments: Spectrophotometric 

equations. Limnology and Oceanography 12:343 

Lorenzen CJ (1968) Carbon/Chlorophyll relationships in an upwelling area. Limnology and 

Oceanography 13:202‐204 

Luther‐Mosebach J, Kalinski K, Gröngröft A, Eschenbach A (2018) CO2 fluxes in subtropical 

dryland soils—a comparison of the gradient and the closed‐chamber method. Journal 

of Plant Nutrition and Soil Science 181:21‐30 

Mackin JE, Aller RC (1984) Ammonium adsorption in marine sediments. Limnology and 

Oceanography 29:250‐257 

MacPherson TA, Cahoon LB, Mallin MA (2007) Water column oxygen demand and sediment 

oxygen flux: Patterns of oxygen depletion in tidal creeks. Hydrobiologia 586:235‐248  

Matlock MD, Kasprzak KR, Osborn GS (2003) Sediment oxygen demand in the Arroyo 

Colorado river. Journal of American Water Resources Association 39:267‐275  

Page 94: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

93 

Mcdonnell AJ, Hall SD (1969) Effect of environmental factors on benthal oxygen uptake. 

Journal (Water Pollution Control Federation) 41:R353‐R363 

Meyers PA (1994) Preservation of elemental and isotopic source identification of 

sedimentary organic‐matter. Chemical Geology 114:289‐302  

Miller DC, Poucher SL, Coiro L (2002) Determination of lethal dissolved oxygen levels for 

selected marine and estuarine fishes, crustaceans, and a bivalve. Marine Biology 

140:287‐296  

Montgomery HAC (1967) The determination of biochemical oxygen demand by respirometric 

methods. Water research 1:631‐662 

Moriarty JM, Harris CK, Friedrichs MAM, Fennel K, Xu KH (2018) Impact of seabed 

resuspension on oxygen and nitrogen dynamics in the northern Gulf of Mexico: A 

numerical modeling study. Journal of Geophysical Research: Oceans 123:7237‐7263  

Morin J, Morse JW (1999) Ammonium release from resuspended sediments in the Laguna 

Madre estuary. Marine Chemistry 65:97‐110  

Morris AW, Loring DH, Bale AJ, Howland RJM, Mantoura RFC, Woodward EMS (1982) Particle 

dynamics, particulate carbon and the oxygen minimum in an estuary. Oceanologica 

Acta, 5:349‐353 

Morse JW (1991) Oxidation‐kinetics of sedimentary pyrite in seawater. Geochimica et 

Cosmochimica Acta 55:3665‐3667  

Mügler C, Rabouille C, Bombled B, Montarnal P (2012) Impact of spatial heterogeneities on 

oxygen consumption in sediments: Experimental observations and 2D numerical 

modeling. Journal of Geochemical Exploration 112:76‐83 

Nedwell D, Floodgate G (1972) The effect of microbial activity upon the sedimentary sulphur 

cycle. Marine Biology 16:192‐200 

Ossenbruggen PJ, Spanjers H, Klapwik A (1996) Assessment of a two‐step nitrification model 

for activated sludge. Water Research 30:939‐953  

Pallud C, Van Cappellen P (2006) Kinetics of microbial sulfate reduction in estuarine 

sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta 70:1148‐1162  

Port of Hamburg (2020) https://www.hafen‐hamburg.de/de/statistiken. Accessed 27 

December 2020 

Quiel K, Becker A, Kirchesch V, Schol A, Fischer H (2011) Influence of global change on 

phytoplankton and nutrient cycling in the Elbe river. Regional Environmental Change 

11:405‐421  

Rasmussen H, Jørgensen BB (1992) Microelectrode studies of seasonal oxygen uptake in a 

coastal sediment: Role of molecular diffusion. Marine Ecology Progress Series 81:289‐

303  

Reese A, Zimmermann T, Pröfrock D, Irrgeher J (2019) Extreme spatial variation of Sr, Nd and 

Pb isotopic signatures and 48 element mass fractions in surface sediment of the Elbe 

River Estuary‐Suitable tracers for processes in dynamic environments? Science of the 

total environment 668:512‐523 

Page 95: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

94 

Richards CM, van Puffelen JL, Pallud C (2018) Effects of sediment resuspension on the 

oxidation of acid‐volatile sulfides and release of metals (iron, manganese, zinc) in 

Pescadero estuary (CA, USA). Environmental Toxicology and Chemistry 37:993‐1006  

Rong N, Shan B (2016) Total, chemical, and biological oxygen consumption of the sediments 

in the Ziya River watershed, China. Environmental Science and Pollution Research 

23:13438‐13447 

Rong N, Shan B, Wang C (2016) Determination of sediment oxygen demand in the Ziya river 

watershed, China: Based on laboratory core incubation and microelectrode 

measurements. International Journal of Environmental Research and Public Health 

13:232  

Rutherford J, Wilcock R, Hickey C (1991) Deoxygenation in a mobile‐bed river—I. Field 

studies. Water Research 25:1487‐1497 

Rysgaard S, Christensen PB, Nielsen LP (1995) Seasonal variation in nitrification and 

denitrification in estuarine sediment colonized by benthic microalgae and 

bioturbating infauna. Marine Ecology Progress Series 126:111‐121  

Sanders T, Schöl A, Dähnke K (2017) Hot spots of nitrification in the Elbe estuary and their 

impact on nitrate regeneration. Estuaries and Coasts 41:128‐138  

Sanford LP, Panageotou W, Halka JP (1991) Tidal resuspension of sediments in northern 

Chesapeake Bay. Marine Geology 97:87‐103  

Sarma VVSS, Krishna MS, Viswanadham R, Rao GD, Rao VD, Sridevi B, Kumar BSK, Prasad VR, 

Subbaiah ChV, Acharyya T, Bandopadhyay D (2013) Intensified oxygen minimum zone 

on the western shelf of Bay of Bengal during summer monsoon: influence of river 

discharge. Journal of oceanography 69:45‐55 

Schippers A, Jørgensen BB (2001) Oxidation of pyrite and iron sulfide by manganese dioxide 

in marine sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta 65:915‐922  

Schoellhamer DH (1996) Anthropogenic sediment resuspension mechanisms in a shallow 

microtidal estuary. Estuarine, Coastal and Shelf Science 43:533‐548  

Schöl A, Hein B, Wyrwa J, Kirchesch V (2014) Modelling water quality in the Elbe and its 

estuary–Large scale and long term applications with focus on the oxygen budget of 

the estuary. Die Küste, 81 Modelling:203‐232 

Schroeder F (1997) Water quality in the Elbe estuary: Significance of different processes for 

the oxygen deficit at Hamburg. Environmental Modeling & Assessment 2:73‐82 

Seiki T, Izawa H, Date E, Sunahara H (1994) Sediment oxygen‐demand in Hiroshima Bay. 

Water Research 28:385‐393 

SensorTrace Suite User Manual (2020) SensorTrace Suite v3.3.000 User Manual – Version 

October 2020. https://www.unisense.com/files/PDF/Manualer/

SensorTrace%20Suite%20Manual.pdf. Accessed: 02 June 2020 

Sloth NP, Riemann B, Nielsen LP, Blackburn TH (1996) Resilience of pelagic and benthic 

microbial communities to sediment resuspension in a coastal ecosystem, Knebel Vig, 

Denmark. Estuarine, Coastal and Shelf Science 42:405‐415  

Page 96: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

95 

Spieckermann M, Gröngröft A, Karrasch M, A. Neumann, Eschenbach A (2021a) Oxygen 

consumption of resuspended sediments of the upper Elbe estuary: Process 

Identification and Prognosis. Aquatic Geochemistry. Submission: 17.01.2021 

Spieckermann M, Gröngröft A, Karrasch M, Eschenbach A (2021b) Oxygen consumption of 

resuspended sediments of the upper Elbe estuary: Spatial and temporal dynamics. 

Journal of Soils and Sediments. Submission: 11.09.2020 

Steinsberger T, Muller B, Gerber C, Shafei B, Schmid M (2019) Modeling sediment oxygen 

demand in a highly productive lake under various trophic scenarios. PLoS One 

14:e0222318  

Stoschek O, Precht E, Larsen O, Jain M, Yde L, Ohle N, Strotmann T (2014) Sediment 

resuspension and seabed scour induced by ship‐propeller wash Proc. PIANC World 

Congr:1337‐1354 

Su J, Dai M, He B, Wang L, Gan J, Guo X, Zhao H, Yu F (2017) Tracing the origin of the oxygen‐

consuming organic matter in the hypoxic zone in a large eutrophic estuary: The lower 

reach of the Pearl River Estuary, China. Biogeosciences 14:4085‐4099 

Sweerts JPRA, Stlouis V, Cappenberg TE (1989) Oxygen concentration profiles and exchange 

in sediment cores with circulated overlying water. Freshwater Biology 21:401‐409  

Tengberg A, Almroth E, Hall P (2003) Resuspension and its effects on organic carbon 

recycling and nutrient exchange in coastal sediments: In‐situ measurements using 

new experimental technology. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 

285:119‐142  

Therkildsen MS, Lomstein BA (1993) Seasonal variation in net benthic C‐mineralization in a 

shallow estuary. FEMS Microbiology Ecology 12:131‐142 

Thiel R, Sepulveda A, Kafemann R, Nellen W (1995) Environmental factors as forces 

structuring the fish community of the Elbe estuary. Journal of Fish Biology 46:47‐69  

Van Duyl F, Kop A (1994) Bacterial production in North Sea sediments: Clues to seasonal and 

spatial variations. Marine Biology 120:323‐337 

Veenstra JN, Nolen SL (1991) In‐situ sediment oxygen demand in five southwestern US lakes. 

Water research 25:351‐354 

Vidal M, Morgui JA, Latasa M, Romero J, Camp J (1992) Factors controlling spatial variability 

in ammonium release within an estuarine bay (Alfacs Bay, Ebro Delta, Nw 

Mediterranean). Hydrobiologia 235:519‐525  

Wainright SC (1987) Stimulation of heterotrophic microplankton production by resuspended 

marine sediments. Science 238:1710‐1712  

Wainright SC, Hopkinson CS (1997) Effects of sediment resuspension on organic matter 

processing in coastal environments: A simulation model. Journal of Marine Systems 

11:353‐368  

Weilbeer H (2014) Sediment transport and sediment management in the Elbe estuary. Die 

Küste, 81 Modelling:409‐426 

Wenzhöfer F, Holby O, Kohls O (2001) Deep penetrating benthic oxygen profiles measured 

in‐situ by oxygen optodes. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers 

48:1741‐1755 

Page 97: Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper

 

96 

Wezernak CT, Gannon JJ (1967) Oxygen‐nitrogen relationships in autotrophic nitrification. 

Applied Microbiology 15:1211‐1214 

Williams RJ, Boorman DB (2012) Modelling in‐stream temperature and dissolved oxygen at 

sub‐daily time steps: An application to the River Kennet, UK. Science of the Total 

Environment 423:104‐110  

WTI (2019) Wassertiefeninstandhaltung im Hamburger Hafen – Jahresbericht 2019. 

https://www.hamburg‐port‐

authority.de/fileadmin/user_upload/Jahresbericht_Wassertiefeninstandhaltung_201

9.pdf. Accessed: 02 May 2020 

Young JC, Baumann ER (1976) The electrolytic respirometer—I factors affecting oxygen 

uptake measurements. Water research 10:1031‐1040 

Young JC, Garner W, Clark JW (1965) An improved apparatus for biochemical oxygen 

demand. Analytical Chemistry 37:784‐784  

Zander F, Heimovaara T, Gebert J (2020) Spatial variability of organic matter degradability in 

tidal Elbe sediments. Journal of Soil and Sediment 20:2573‐2587