Anders als im LOHAFEX-Experiment aus dem Jahr 2009 konnte bei EIFEX gezeigt werden, dass größere Mengen Kohlenstoff aus einer induzierten Algenblüte auf den Meeresgrund absinken. Die nach intensiver Auswertung nun veröffentlichten Ergebnisse liefern einen wertvollen Beitrag zum besseren Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs.
Ein internationales Forscherteam hatte im Frühjahr 2004 (also im Spätsommer auf der Südhalbkugel) von Bord des Forschungsschiffes Polarstern einen Teil eines stabilen Ozeanwirbels im Südpolarmeer mit gelöstem Eisen gedüngt und so eine Blüte von einzelligen Algen (Phytoplankton) angeregt. Im Anschluss hatten die Wissenschaftler fünf Wochen lang die Entwicklung der Phytoplankton-Blüte vom Beginn der Blüte bis zum Absterben verfolgt. Dabei gelang ihnen der Nachweis, dass sich in den durchmischten oberen Wasserschichten bis zu einer Tiefe von 100 Metern eine große Blüte ausbildete.
Die maximale Biomasse war mit einem Spitzenwert von 286 Milligramm Chlorophyllgehalt pro Quadratmeter höher als in den Blüten, die in den bisherigen zwölf Eisendüngungsexperimenten hervorgerufen worden waren. Dies ist besonders bemerkenswert, weil die EIFEX-Blüte sich in einer durchmischten Wasserschicht bis 100m Tiefe entwickelte, was viel tiefer ist als die bisher angenommene Untergrenze für die Entwicklung von Algenblüten, so die Autoren um Prof. Dr. Victor Smetacek und Dr. Christine Klaas vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft.
Die Blüte bestand hauptsächlich aus Kieselalgen (Diatomeen), eine Algengruppe, welche gelöstes Silikat benötigt, um ihre Schalen zu bilden. Es ist bekannt, dass Kieselalgen am Ende der Blüte größere, schleimige Aggregate formen, die schnell in die Tiefe sinken. "Wir konnten nachweisen, dass über 50 Prozent der Planktonblüte mehr als 1000 Meter tief absanken. Dies deutet darauf hin, dass ein Teil des Kohlenstoffs der Algenblüte über Zeitskalen von mehr als hundert Jahren im tiefen Ozean und in den Sedimenten am Meeresboden gespeichert werden kann", sagt Smetacek.
Diese Ergebnisse stehen im Gegensatz zu denen des LOHAFEX-Experimentes, das im Jahr 2009 durchgeführt worden war. Bei LOHAFEX waren im gedüngten Meereswirbel aufgrund anderer Nährstoffverhältnisse, speziell durch das Fehlen von gelöstem Silikat, kaum Kieselalgen gewachsen. Stattdessen bestand die Planktonblüte aus anderen Algenarten, die jedoch keine schützende Schale besaßen und leichter von Zooplankton gefressen wurden. "Dies zeigt, wie unterschiedlich Organismengemeinschaften auf die Zugabe von Eisen im Ozean reagieren können", sagt Dr. Christine Klaas. "Von den Laboranalysen und der weiteren wissenschaftlichen Auswertung der LOHAFEX-Daten erwarten wir ein ähnlich detailliertes Verständnis der Umsetzungswege von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Ozean und Meeresgrund", ergänzt Prof. Dr. Wolf-Gladrow, der Leiter des Fachbereichs Biowissenschaften am Alfred-Wegener-Institut, der ebenfalls an der Nature-Studie beteiligt ist.
Eisen spielt im Klimasystem eine wichtige Rolle und wird in vielen biochemischen Prozessen wie zum Beispiel der Photosynthese benötigt. Es ist somit ein essentielles Element für die biologische Produktion im Meer und damit für die CO2-Aufnahme aus der Atmosphäre. In den vergangenen Eiszeiten war die Luft kälter und trockener als heute und mit dem Wind wurde mehr eisenhaltiger Staub von den Kontinenten in den Ozean eingetragen. Die Versorgung der Organismen im Meer mit Eisen war daher während der Eiszeiten höher. Mit einem Eisendüngungsexperiment wird dieser natürliche Vorgang unter kontrollierten Bedingungen nachgestellt.
"Solche kontrollierten Eisendüngungsexperimente im Ozean ermöglichen es uns, Hypothesen zu testen und Prozesse zu quantifizieren, welche nicht im Labor untersucht werden können. Diese Ergebnisse verbessern unser Verständnis der für den Klimawandel wichtigen Prozesse im Meer", sagt Smetacek. Und als Antwort auf die Frage, warum vom Experiment bis zur Publikation in Nature so viel Zeit vergangen sei, sagt er: "Die Kontroverse über Eisendüngungsexperimente hat dazu geführt, dass unsere Ergebnisse vor ihrer Veröffentlichung sehr sorgfältig begutachtet wurden."
Zusammenfassung des Experiments:
Beim EIFEX Experiment haben die Forscher am 13./14. Februar 2004 eine Fläche von 150 Quadratkilometern (Kreis mit 14 Kilometern Durchmesser) innerhalb eines Ozeanwirbels im Antarktischen Zirkumpolarstrom mit sieben Tonnen Eisensulfat gedüngt. Das entspricht einer Eisenzugabe von einem hundertstel Gramm pro Quadratmeter. Die damit erzeugte Eisenkonzentration von 2 Nanomol pro Liter liegt im Bereich von Werten die im Kielwasser schmelzender Eisberge gemessen werden; in Küstenregionen liegen Eisenkonzentrationen deutlich höher.
Der Eintrag von Eisen regt in Regionen mit hohen Nährstoffkonzentrationen (Nitrat, Phosphat, Kieselsäure) und geringem Chlorophyllgehalt (so genannten high-nutrient / low-chlorophyll Regionen) das Wachstum von planktonischen Algen (Phytoplankton) an. Nach erfolgter Düngung wurde die Entwicklung der Planktonblüte mithilfe von ozeanographischen Standardmethoden über fünf Wochen untersucht. Vom Oberflächenwasser bis in eine Tiefe von über 3000 Metern wurden regelmäßig Chlorophyll, organischer Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphat und andere Parameter gemessen, um das Entstehen, Absterben und Absinken der Blüte und den damit verbundenen Kohlenstofftransport zu verfolgen. Desweiteren wurden die auftretenden Phyto- und Zooplanktonarten sowie Bakterien bestimmt. Der Chlorophyllgehalt stieg 24 Tage lang nach der Düngung an. Anschließend bildeten sich Phytoplanktonaggregate, die innerhalb weniger Tage bis in Tiefen von 3700 Metern absanken. Lange Stacheln an den Kieselalgen und schleimartige Substanzen führten zur Aggregatbildung und zum Abtransport des gebundenen Kohlenstoffs aus den oberflächennahen Wasserschichten zum Meeresboden. Dieser Prozess wurde bis zum Ende der Untersuchungen fünf Wochen nach Beginn der Düngung beobachtet.
Das Alfred-Wegener-Institut forscht in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der mittleren und hohen Breiten. Es koordiniert die Polarforschung in Deutschland und stellt wichtige Infrastruktur wie den Forschungseisbrecher Polarstern und Stationen in der Arktis und Antarktis für die internationale Wissenschaft zur Verfügung. Das Alfred-Wegener-Institut ist eines der 18 Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.
Pressemitteilung der Universität Wien
Künstliche Algenblüte im Südpolarmeer
Neue Forschungsergebnisse zum globalen Kohlenstoffkreislauf
In der Fachzeitschrift Nature liefert ein internationales ForscherInnenteam unter der Beteiligung von Wittgenstein-Preisträger und ERC Grant Gewinner Gerhard J. Herndl von der Universität Wien einen wertvollen Beitrag zum besseren Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Veröffentlicht werden Ergebnisse eines Ozean-Eisendüngungsexperimentes (EIFEX) im Südpolarmeer. Die WissenschafterInnen haben dort eine künstliche Algenblüte ausgelöst und danach den Kohlenstoffgehalt im Ozean analysiert.
Das ForscherInnenteam hatte im Frühjahr 2004 (also im Spätsommer auf der Südhalbkugel) von Bord des Forschungsschiffes Polarstern einen Teil eines stabilen Ozeanwirbels im Südpolarmeer mit gelöstem Eisen gedüngt und so eine Algenblüte angeregt. Fünf Wochen lang konnten die ForscherInnen die Entwicklung des Phytoplanktons vom Beginn der Blüte bis zum Absterben verfolgen. Dabei gelang ihnen der Nachweis, dass sich in den durchmischten oberen Wasserschichten bis zu einer Tiefe von 100 Metern eine große Blüte ausbildete. Der Chlorophyllgehalt war mit 286 Milligramm pro Quadratmeter der höchste, der jemals in den bisherigen zwölf Eisendüngungsexperimenten auftrat.
Teil des Kohlenstoffes im tiefen Ozean gespeichert
Hauptsächlich bestand die Blüte aus Kieselalgen (Diatomeen). Diese verklebten nach dem Absterben zu größeren Aggregaten, die schnell in die Tiefe sanken. Es konnte gezeigt werden, dass über 50 Prozent der Planktonblüte mehr als 1.000 Meter tief absank. Daraus schließen die AutorInnen, dass ein Teil des Kohlenstoffs der Algenblüte über mehr als hundert Jahre im tiefen Ozean und am Meeresgrund gespeichert werden kann.
Eisen spielt im Klimasystem eine wichtige Rolle. Als Baustein vieler Enzyme - beispielsweise für die Photosynthese - ist Eisen ein essentielles Element für die biologische Produktion im Meer und damit für die CO2-Aufnahme aus der Atmosphäre. In den vergangenen Eiszeiten war die Luft trockener als heute und mit dem Wind wurde eisenhaltiger Staub von den Kontinenten in den Ozean eingetragen. Heute gelangt Eisen in kleinerem Umfang als früher direkt über Staub ins Meer. Die Versorgung der Organismen im Meer mit Eisen war daher während der Eiszeiten deutlich höher. Mit einem Eisendüngungsexperiment wird dieser natürliche Vorgang unter messbaren Bedingungen nachgestellt. Solche kontrollierten Eisendüngungsexperimente im Ozean bieten die Möglichkeit, theoretische Ansätze und auf Laboruntersuchungen basierende Aus- und Vorhersagen zu überprüfen. Dies trägt zu einem besseren Verständnis der Prozesse im Meer bei, die wiederum zur Beurteilung des Klimawandels wichtig sind.
Rolle der Bakterien beim Abbau von Kohlenstoff
Gerhard J. Herndl und seine Arbeitsgruppe untersuchten in dieser multidisziplinären Studie die Rolle der Bakterien beim Abbau von organischem Kohlenstoff und deren Atmungsaktivitäten, also der Produktion von Kohlendioxid. Diese Bakterien sind hauptverantwortlich für den Abbau von organischem Material im Ozean und ihre Aktivität beeinflusst somit wesentlich die Menge von organischem Kohlenstoff, die in die Tiefsee absinken kann.
Gegenwärtig sind Gerhard J. Herndl, mehrfach ausgezeichneter Meeresbiologe, und sein Team auf einer einmonatigen Forschungsfahrt im Nordatlantik, um weitere Erkenntnisse über den Stoffwechsel der Tiefseemikroben zu gewinnen, die die wesentlichen Treiber der Nährstoffkreisläufe des Meeres sind. Finanziert werden diese Forschungen über einen ERC Advanced Grant, ein ESF- und ein FWF- Projekt sowie einen Wittgenstein-Preis.
Zusatzinformationen:
Victor Smetacek, Christine Klaas, Volker H. Strass, Philipp Assmy, Marina Montresor, Boris Cisewski, Nicolas Savoye, Adrian Webb, Francesco d’Ovidio, Jesús M. Arrieta, Ulrich Bathmann, Richard Bellerby, Gry Mine Berg, Peter Croot, Santiago Gonzalez, Joachim Henjes, Gerhard J. Herndl, Linn J. Hoffmann, Harry Leach, Martin Losch, Matthew M. Mills, Craig Neill, Ilka Peeken, Rüdiger Röttgers, Oliver Sachs, Eberhard Sauter, Maike M. Schmidt, Jill Schwarz, Anja Terbrüggen, Dieter Wolf-Gladrow:
Deep carbon export from a Southern Ocean iron-fertilized diatom bloom.
In: Nature; 487, 313-319, 19. Juli 2012, DOI 10.1038/nature11229
Quellen: Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, AWI, Bremerhaven,
Universität Wien, Österreich.
Aktualisiert am 19.07.2012.
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